第十章DNA的生物合成

Crick于1954年所提出的遗传信息传递规律（即中心法则）.第一节中心法则现在是1页\一共有65页\编辑于星期四中心法则

Crick于1954年所提出的遗传信息传递规律1954年首次提出的“中心法则”1970-1980年的“中心法则”21世纪后修正的“中心法则”现在是2页\一共有65页\编辑于星期四第二节DNA的生物合成核酸是生命遗传信息的携带者和传递者生物体内的DNA合成主要包括三个方面：1.在细胞周期的S期进行的DNA复制，亲代细胞通过DNA自身复制将遗传信息传给子代；2.当体内DNA受到某些损伤时，可以进行修复；3.在某些病毒中存在的以RNA为模板的DNA合成。现在是3页\一共有65页\编辑于星期四一、参与DNA复制的酶及蛋白因子（一）DNA聚合酶（DNApolymerase,DNApol）以dNTP为底物，以DNA为模板，需要一段引物，从引物的3-OH末端合成DNA新链。三种大肠杆菌DNA聚合酶1.DNA聚合酶I(1956,ArthurKornberg)外切酶活性：3′5′外切活性具有校正作用；5′3′切除引物和DNA损伤的修复；聚合作用：合成速度较慢，每秒10个核苷酸，而且新链长20个核苷酸后，酶即脱离模板。现在是4页\一共有65页\编辑于星期四2.DNA聚合酶Ⅱ

外切酶活性：3′5′外切活性

聚合作用：

5′3′补小缺口（<100核苷酸）3.DNA聚合酶III大分子寡聚酶，10种22个亚基组成。每种亚基都有2个，整个分子形成一个不对称的二聚体现在是5页\一共有65页\编辑于星期四DNA聚合酶Ⅰ多功能酶

5’3’外切酶

3’5’外切酶5’3’聚合酶单链多肽（Zn2+）大小二个片段切除RNA引物，填补空缺损伤后修复DNA聚合酶Ⅲ多功能酶

5’3’聚合酶3’5’外切酶

不对称二聚体单体1-前导链/单体2-随从链DNA复制的主要酶高续进性

高聚合酶活性高产物真实性现在是6页\一共有65页\编辑于星期四真核细胞DNA聚合酶

哺乳动物中已发现5种DNApolα、β、γ、δ、εpolα和δ——新链的延长Polβ——DNA的重组修复polγ——线粒体的复制，还具3’5’外切活性Polε——聚合作用和3’5’外切活性现在是7页\一共有65页\编辑于星期四（二）DNA连接酶（DNAligase)DNA双螺旋中一条链有缺口，并且3’-OH与5’-P相邻特异性不高，在DNA不连续复制、重组及损伤修复中起作用哺乳动物：ATP辅酶，大肠杆菌：NAD辅酶，都需要Mg2+连接方式：酶先与ATP或NAD形成酶—AMP，酶—AMP与5’-P形成焦磷酸而活化

现在是8页\一共有65页\编辑于星期四（三）与解除DNA高级结构有关的酶与蛋白因子1.拓扑异构酶拓扑性质—物体或图像做弹性移动时保持物体图像不变的性质。DNA三级结构具有拓扑性质。Ⅰ型酶：使一定部位的一条链切口-封口反应Ⅱ型酶：DNA两条链同时发生切口-封口反应

Ⅱ型酶还可使DNA形成超螺旋解除超螺旋现在是9页\一共有65页\编辑于星期四（三）与解除DNA高级结构有关的酶与蛋白因子2.解螺旋酶依赖DNA单链存在，对单链亲和力强大肠杆菌中发现多种与解除螺旋结构有关的蛋白质DnaA,DnaB,DnaC协同作用，解开DNA。

现在是10页\一共有65页\编辑于星期四（三）与解除DNA高级结构有关的酶与蛋白因子3.单链结合蛋白（SSB）—与解开的DNA单链结合后，两条DNA链就不能形成双螺旋；—还可以防止核酸酶的降解；—原核生物中SSB与DNA单链结合表现正协同效应。现在是11页\一共有65页\编辑于星期四（三）与解除DNA高级结构有关的酶与蛋白因子4.引发酶（primase）多数以RNA片段为引物，也存在DNA片段引物、tRNA引物——促进引物合成的酶称为引发酶现在是12页\一共有65页\编辑于星期四（三）RNA引物

DNA聚合酶不能催化两个游离dNTP在DNA模板上聚合需要具3’-OH的引物RNA聚合酶能催化两个游离NTP在DNA模板上聚合提供3’-OH引物最后被DNA聚合酶Ⅰ除去、补满，再由连接酶连接减少突变，提高DNA复制的真实性现在是13页\一共有65页\编辑于星期四二、DNA的复制1、半保留复制方式现在是14页\一共有65页\编辑于星期四OldstrandNewstrandThehypothesisofsemiconservativereplicationproposedbyWatsonandCrickin1953.现在是15页\一共有65页\编辑于星期四亲代DNA子代子代半保留复制新链现在是16页\一共有65页\编辑于星期四Radioisotopelabelinganddensitygradientcentrifugationclearlydistinguishesreplicationsofsemiconservativefromconservative.（1958）现在是17页\一共有65页\编辑于星期四现在是18页\一共有65页\编辑于星期四现在是19页\一共有65页\编辑于星期四现在是20页\一共有65页\编辑于星期四通过DNA复制形成的新DNA分子,与原来的DNA分子完全相同。经过一个复制周期后，子代DNA分子的两条链中，一条来自亲代DNA分子，另一条是新合成的，所以又称为半保留复制。现在是21页\一共有65页\编辑于星期四2.DNA半不连续复制至今发现的DNA聚合酶只能催化从模板的3′端向5′端前进的反应。冈崎（1968）等人的实验：用噬菌体T4感染的大肠杆菌作为实验材料，以3H标记的胸苷合成DNA.短时间内测定同位素的掺入情况。实验结果：短时间（2S）标记出现在分子质量较小的片段，只有在标记时间长（30S以上）才出现在分子质量较大的片段。冈崎片段——DNA合成是不连续的，先合成一些DNA小片段，其大小约含1000-2000个核苷酸残基，然后再通过DNA连接酶将它连接起来。现在是22页\一共有65页\编辑于星期四现在是23页\一共有65页\编辑于星期四二、DNA的复制3、DNA的复制过程（1）合成起始a.辨认起始点DNA复制有固定的起始点。大肠杆菌：OriC含245bp,有两个区域起关键作用，4个9核苷酸重复序列；3个13核苷酸重复序列（富含AT）。现在是24页\一共有65页\编辑于星期四二、DNA的复制b.模板DNA解除高级结构dnaA蛋白与起始点形成复合物，促进其他dna蛋白也与起始点形成复合物。一旦双螺旋解开成单链，SSB即结合单链。TopoⅡ在打结处切一口，使结松开。现在是25页\一共有65页\编辑于星期四二、DNA的复制c.RNA引物的形成由引发酶以单链DNA为模板，按5’3’合成一低聚引物，引物的第一个核苷酸通常是pppA(2)链的延伸在RNA引物上，由DNA聚合酶Ⅲ催化，在引物3’-OH每掺入一个核苷酸，从底物dNTP切下一个焦磷酸。新链的合成按5’到3’的方向进行，这条链称先导链；另一条先形成冈崎片段，进行不连续复制，称后随链。现在是26页\一共有65页\编辑于星期四二、DNA的复制

(3)合成终止

线性DNA——当复制叉到分子末端，复制即终止。

环状DNA——多数为定点、双向、对称、等速的方式进行复制，复制终点一般距离起点1800，两个复制叉在此相遇，合成终止。现在是27页\一共有65页\编辑于星期四AelectronmicrographofthereplicationintermediateofaplasmidDNA:-shapedstructureswereobserved;nosinglestrandedDNAisvisible.Nocompleteunwindingofthetwoparentalstrandsoccurredbeforethedaughterstrandsaresynthesized现在是28页\一共有65页\编辑于星期四现在是29页\一共有65页\编辑于星期四1.DNA的损伤与突变

损伤可造成突变或致死突变（mutation）：指一种遗传状态，可以通过复制而遗传的DNA结构的任何永久性改变。携带突变基因的生物称为突变体，未突变的称为野生型。损伤原因物理（紫外（见下页）、高能射线、电离辐射）化学（烷基化试剂、亚硝酸盐、碱基类似物）生物因素（碱基对置换、碱基的插入/缺失造成移码）三、DNA的损伤与修复现在是30页\一共有65页\编辑于星期四当DNA受到大剂量紫外线（波长260nm附近）照射时，可引起DNA链上相邻的两个嘧啶碱基共价聚合，形成二聚体，例如TT二聚体。现在是31页\一共有65页\编辑于星期四2.DNA损伤修复光复活切除修复重组修复SOS修复现在是32页\一共有65页\编辑于星期四光复活（photoreactivation）可见光（最有效波长400nm）激活生物界广泛分布（高等哺乳动物除外）的光复活酶，该酶分解嘧啶二聚体。是一种高度专一的修复形式，只分解由于UV照射而形成的嘧啶二聚体。现在是33页\一共有65页\编辑于星期四切除修复（excisionrepair）即在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损伤的部分切除掉，并以完整的那一段为模板，合成出切去的部分，从而使DNA恢复正常。这是一种比较普遍的修复机制。细胞的修复功能对于保护遗传物质DNA不受破坏有重要意义。现在是34页\一共有65页\编辑于星期四重组修复（recombinationrepair）又称复制后修复（postreplicationrepair）受损伤的DNA在进行复制时，跳过损伤部位，在子代DNA链与损伤相对应部位出现缺口。通过分子间重组，从完整的母链上将相应的碱基顺序片段移至子链的缺口处，然后再用合成的多核苷酸来补上母链的空缺，此过程即重复修复。并非完全校正。现在是35页\一共有65页\编辑于星期四SOS修复指DNA受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种DNA修复方式，修复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留下的错误较多，又称倾错性修复（Error-ProneRepair）。现在是36页\一共有65页\编辑于星期四第二节RNA的生物合成现在是37页\一共有65页\编辑于星期四中心法则生物的遗传信息从DNA传递给mRNA的过程称为转录。根据mRNA链上的遗传信息合成蛋白质的过程，被称为翻译和表达。1958年Crick将生物遗传信息的这种传递方式称为中心法则。现在是38页\一共有65页\编辑于星期四基因转录是以DNA为模板合成与其碱基顺序互补的mRNA的过程。DNA双螺旋解开成为转录模板，在RNA聚合酶催化下，合成mRNA。DNA双链中的一条链作为模板合成mRNA，而另一条链不用于合成mRNA——不对称转录。现在是39页\一共有65页\编辑于星期四现在是40页\一共有65页\编辑于星期四转录(transcription)：以DNA单链为模板，NTP为原料，在DNA依赖的RNA聚合酶催化下合成RNA链的过程。转录的条件：模板原料酶产物配对方向引物DNA(不对称转录）NTPRNA聚合酶mRNA,tRNA,rRNA，小RNAA-U,T-A,G-C5’3’不需要现在是41页\一共有65页\编辑于星期四DNA复制与转录的比较相同点模板两股链均复制模板链转录合成方式半保留复制不对称转录原料dNTPNTP聚合酶DNA聚合酶RNA聚合酶碱基配对A-T，G-CA-U，T-A，G-C产物半保留的双链DNA单链RNA不同点以DNA为模板遵循碱基配对原则都需依赖DNA的聚合酶聚合过程都是生成磷酸二酯键新链合成方向为5’→3’3/50复制转录现在是42页\一共有65页\编辑于星期四◆几个基本概念结构基因(structuregene)模板链(templatestrand)Watson(W)链、负(-)链(minusstrand)、反意义链(antisensestrand)编码链(codingstrand)Crick(C)链、正(+)链(plusstrand)、有意义链(sensestrand)不对称转录(asymmetrictranscription)现在是43页\一共有65页\编辑于星期四结构基因(structuregene)：DNA分子中能转录出RNA的区段。现在是44页\一共有65页\编辑于星期四模板链：

反意义链（antisensestrand，(-)链）

——以该链中的DNA碱基顺序指导RNA的合成即被转录的那条DNA链。

编码链：有意义链（sensestrand，（+）链）

——不被转录的那条DNA链，但其碱基顺序除T代替U外，其余与mRNA相同。

现在是45页\一共有65页\编辑于星期四5’-----GCAGTACATGTC-----3’编码链DNA3’-----CGTCATGTACAG-----5’模板链5’-----GCAGUACAUGUC-----3’mRNAN------Ala--Val--His--Val------C蛋白质现在是46页\一共有65页\编辑于星期四不对称转录

.DNA双链上，仅一股链转录，另一股不转录。

.有意义链与反意义链并非固定不变。

.转录方向都是5’3’转录方向5’3’模板链图13-1现在是47页\一共有65页\编辑于星期四一、催化RNA合成的酶1.大肠杆菌RNA聚合酶全酶=α2ββ’

σ核心酶=α2ββ’σ—识别DNA链上合成RNA的起始信号，开始合成RNA链时，必须有σ因子，一旦合成开始以后，σ因子释放出来。β’—参与酶与底物的结合，以及与σ因子和核心酶的结合。β—参与σ因子和核心酶的结合，并参与RNA合成的引发、延伸。α—与模板的结合、酶的滑动以及碱基识别有关。现在是48页\一共有65页\编辑于星期四2.真核细胞RNA聚合酶在DEAE-Sephadex柱上的洗脱次序称为酶Ⅰ、II、Ⅲ，基于对鹅膏覃碱的敏感程度称为酶A、B、C

现在是49页\一共有65页\编辑于星期四二、转录的过程现在是50页\一共有65页\编辑于星期四识别解链起始延伸终止现在是51页\一共有65页\编辑于星期四原核生物的转录起始1.起始位点的识别

σ识别正确的启动位点，启动子的结构至少由三部分组成：-35序列提供了RNA聚合酶全酶识别的信号；-10序列是酶的紧密结合位点（富含AT碱基，利于双链打开）；第三部分是RNA合成的起始点。3’5’+1转录起始点AACTGTATATTATTGACATATAAT5’3’－35序列

Sextama框－10序列Pribnow框2.转录起始加入的第一个核苷三磷酸常是GTP或ATP。所形成的启动子、全酶和核苷三磷酸复合物称为三元起始复合物，第一个核苷三磷酸一旦掺入到转录起始点，σ亚基就会被释放脱离核心酶。现在是52页\一共有65页\编辑于星期四-35-10pppG或pppA5‘5‘3‘3‘模板链E3.链的延伸

以NTP为原料和能量,DNA模板链为模板，靠核心酶的催化，核苷酸间通过3´,5´-磷酸二酯键成核糖核酸链(RNA)现在是53页\一共有65页\编辑于星期四4.转录终止转录终止信号有两种情况弱终止子：依赖ρ因子（终止因子，terminators）的终止NusA蛋白识别DNA链上的终止信号，在ρ因子帮助终止。

强终止子：（1）在终止点之前具有一段富含G-C的回文区域。（2）富含G-C的区域之后是一连串的dA碱基序列，它们转录的RNA链的末端为一连串U（连续6个）。现在是54页\一共有65页\编辑于星期四真核生物的起始——较原核生物复杂

◆顺式作用元件

(启动子/增强子)

◆转录因子(transcriptionfactor,TF)

RNA聚合酶Ⅱ所需的转录因子

---转录因子Ⅱ（TFⅡ）

现在是55页\一共有65页\编辑于星期四启动子

上游启动子元件(upstreampromotorelements,UPE)增强子：远离转录起始点（1~30kb）增强启动子转录活性DNA序列作用与方向、距离无关沉默子：负性调节元件，起阻遏作用

与基因表达调控有关的DNA非编码序列——顺式作用元件(cis-actingelement)现在是56页\一共有65页\编辑于星期四顺式作用元件现在是57页\一共有65页\编辑于星期四增强子现在是58页\一共有65页\编辑于星期四反式作用因子(trans-actingfactor)概念：为DNA结合蛋白，可使邻近基因开放（正调控）或关闭（负调控）特点：三个功能结构域：DNA识别结合域转录活性域