烟大生化34课件

？Reolication＆RepairofDNAChapter34DNA的复制和修复核酸代谢4/25/20231（一）DNA是生物遗传的物质基础——遗传信息的载体遗传信息以密码的形式编码在DNA分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序——三联体密码。一、基因信息的传递4/25/20232（二）中心法则DNARNAproteinreplicationtranscriptionreversetranscriptiontranslationreplication4/25/20233二、DNA的复制（一）DNA的存在形式染色体与质粒严紧控制质粒单拷贝质粒：每个细胞内只有一个或少数几个拷贝松弛控制质粒多拷贝质粒：每个细胞内含有许多拷贝（20以上）4/25/202354/25/202364/25/202374/25/20239以亲代DNA为模板产生子代DNA的过程最初→半保留复制（semiconservationreplication）进一步研究:半保留复制为半不连续复制（semidiscontinuousreplication）（二）DNA复制DNA的自我复制4/25/202310

DNA复制，双螺旋解开成单链，合成新的互补链子代细胞出现新的DNA双链其中一股单链是从亲代完整地接受另一股单链完全重新合成，且按碱基配对原则互补1、半保留复制意义：保持DNA在代谢上的稳定性1953，Watson、Crick4/25/2023114/25/202313（三）DNA复制的起点(origin)和方式复制子：控制复制起始（origin）终止复制（terminus）复制子(replicon)：基因组能独立进行复制的单位原核生物：DNA环形，1个复制起点真核生物：DNA线形，多个复制起点4/25/202314复制方式双向复制(bi-directional)

：大多数复制从起点开始向2个方向复制2个复制叉(replicationfork)单向复制(unidirectional)

：少数复制从起点向1个方向复制1个复制叉或生长点(growingpoint)4/25/2023154/25/2023174/25/202318（四）DNA复制的酶系1、解旋解链酶：1）拓扑异构酶（Topo，解超螺旋酶）：解开DNA超螺旋2）解链酶（解螺旋酶）：解开碱基间氢键，形成2股单链3）单链DNA结合蛋白（SSB）：结合单股DNA，阻止DNA复性2、引物酶：合成小段RNA引物，用于DNA聚合酶延长子链4/25/202319TopoⅡ同时断裂、连接双链DNA需要ATP、NAD亚类：DNA旋转酶（DNAgyrase）：原核；引入负超螺旋，复制中起重要作用转变超螺旋DNA（正、负超螺旋）：原核、真核无超螺旋的松弛形式（relaxedform）4/25/202321TopoⅠ：切开DNA中的一条链，与另一条链解缠绕或再缠绕→连接TopoⅡ同时切开DNA双链解旋或再螺旋→连接4/25/202322本质：切断DNA磷酸二酯键改变DNA的链环数，再连接兼具DNA内切酶、连接酶的性质断裂、连接反应相互耦联不能连接事先已经存在的断裂DNA4/25/2023234/25/202325解链酶、SSB的作用解链酶（helicase，解螺旋酶）：断裂互补碱基间的氢键，使DNA双链分离形成“复制叉”单链DNA结合蛋白（SSB）：结合于解开的DNA单链，防止双螺旋再形成（阻止DNA复性）4/25/2023264/25/2023291）DNA聚合反应条件（1）底物dNTP（dATP，dGTP，dCTP，dTTP）（2）聚合酶（3）模板单链的DNA母链（4）引物寡核苷酸引物（RNA)（5）其他：解链酶，解旋酶，单链结合蛋白，连接酶4/25/2023302）聚合机制（1）DNA聚合酶：5′→3′的聚合活性需引物链4/25/202331（2）DNA聚合酶：核酸外切酶活性①3′→5′外切酶活性②5′→3′外切酶活性4/25/2023323）DAN聚合酶（DNApolymerase）分类大肠杆菌DNA聚合酶I、Ⅱ、ⅢDNA聚合酶I：多功能酶1）沿5’→3’方向延长DNA链（DNA聚合酶活力）2）由3’端水解DNA链（3’→5’核酸外切酶活力）3）由5’端水解DNA链（5’→3’核酸外切酶活力）等——常用的工具酶复制准确性的保证：

复制过程中碱基的配对受到双重核对1）DNA聚合酶的选择作用2）3’→5’外切酶的校正作用。4/25/202333子链的准确延长所有DNA聚合酶：聚合酶活性

3’，5‘外切酶活性

dNTP进入与前一个核苷酸3’-OH形成磷酸二酯键水解切除错配碱基DNA子链准确延长保证遗传信息稳定传递到下一代变异，几率非常小，进化速度非常缓慢4/25/202334DNA聚合酶Ⅱ：3’→5’核酸外切酶活力DNA聚合酶Ⅲ：真正起复制作用的酶，对温度敏感（415页）4/25/202335E.Coli的DNA聚合酶4/25/202336真核细胞中的DNA聚合酶4/25/202337DNA聚合酶水解引物并填补空隙4/25/2023384、DNA连接酶：填补缺口、连接冈崎片段4/25/2023394/25/2023404/25/202341（五）DNA复制的拓扑性质（419）1、解螺旋酶领头链rep蛋白DnaB

随从链解链酶Ⅱ4/25/202342引物酶RNA聚合酶DnaG（RNA聚合酶）引发体DnaA辨认复制启始点，再结合DnaB,DnaC及其他复制因子形成复合体2、DNA拓扑异构酶（解旋酶）3、引物酶和引发体4/25/202343DNA复制酶系4/25/202344（六）DNA的半不连续复制日本，冈崎（1968）1、概念DNA、RNA：合成方向5‘→3‘DNA双链沿复制叉移动时，子链合成方向相反一条链合成方向与复制叉同向，连续复制——前导链另一条链合成方向与复制叉方向相反，不连续——滞后链（随后链）4/25/202345DNA复制，一条链连续，另一条链不连续前导链、滞后链；冈崎片段冈崎片段的合成需要引物，“引物合成酶”冈崎片段：DNA复制过程中出现不连续片段2、DNA半不连续复制的过程（请看418页）4/25/202346（七）DNA复制的过程（421页）1、复制的起始：1）DNA解旋、解链，形成复制叉：拓扑异构酶、解链酶、SSB2）RNA引物合成：依赖于单链模板，引物酶催化合成小段RNA引物特点：原核：环形DNA，一个起点，双向复制真核：线形DNA，多个起点，多复制叉4/25/2023472、复制的延长：1）子链延长：引物合成，polⅢ（真核为DNAδ或α）催化在引物3’-OH末端添加与模板链对应互补的dNTP2）半不连续合成：（1）领头链：链的延长方向与解链方向相同连续合成（2）随从链：链的延长方向与解链方向相反不连续合成（冈崎片段）4/25/2023483、复制的终止1）水解引物及填补空隙：冈崎片段合成后，polⅠ（真核可能是δ）水解去除RNA填补留下的空隙2）连接酶连接冈崎片段形成完整双链DNA：空隙填补后，DNA片段间缺口由连接酶催化连接产生完整的双链DNA分子4/25/2023494/25/2023504/25/202351DNA的复制导致端粒缩短4/25/202352逆转录：以RNA为模板合成DNA以病毒RNA为模板，以dNTP为原料，由逆转录酶催化，按碱基配对规律合成DNA的过程逆转录酶：依赖于RNA模板，才具有催化合成DNA的活性——依赖RNA的DNA聚合酶RNA单链DNA（cDNA）双链DNA插入寄主DNA逆转录酶：RNA病毒——潜在的致癌可能4/25/2023534/25/202354三、DNA的损伤与修复（一）DNA的损伤某些理化因子（紫外线、电离辐射和化学诱变剂等）作用于DNA，造成其结构和功能的破坏，从而引起生物突变和致死的效应——DNA的损伤常见的DNA损伤方式——嘧啶二聚体的形成4/25/2023551、DNA分子的自发损伤1）碱基错配：尽管DNA聚合酶具有校对修复功能仍存在极少量的错配（10-10）2）自发性化学变化：碱基异构碱基脱氨基脱嘌呤、脱嘧啶碱基修饰链断裂2）物理因素引发的损伤紫外线电离辐射

DNA链断裂交联3）化学因素引发的损伤

烷化剂对DNA的损伤：碱基烷基化、碱基脱落断链、交联

碱基修饰剂、类似物对DNA的损伤人工促变剂、抗癌药物亚硝酸盐、黄曲霉毒素4/25/2023562、DNA损伤的后果1）DNA分子的改变：点突变、缺失、插入、倒位、易位、链断裂2）DNA损伤的结果：（1）致死性（2）丧失某些功能（3）改变基因型而不改变表现型（4）发生有利于物种生存的结果，生物进化4/25/2023574/25/202358（二）DNA的修复生物在长期进化过程中获得的一种能使DNA的损伤得到恢复的保护功能4/25/202359DNA的修复机制错配修复：识别新链中的错配碱基，切除后重新合成子链片段直接修复：不切除碱基，修复酶直接修复受损碱基，恢复正常切除修复：复制前切除错误碱基，重新合成缺口片段重组修复：复制后利用另一模板进行重组，互补合成缺口片段SOS修复：大面积损伤时修复机制，会导致错误碱基，但可增加存活率光修复暗修复4/25/2023602005年，122卷第5期DNA错配和修复（李国民）理学学士：武汉大学生物系理学博士：美，韦恩州立大学美国肯塔基大学，副教授1、错配修复4/25/202361DNA损伤（1）外界环境影响（2）复制中出现错配尽管出错几率十分微小生命这台精密的仪器不允许任何差错即使一个碱基的错配也可能造成严重的疾病错配修复基因缺陷——癌症

遗传性非多发性息肉结肠癌（hereditarynonpolyposiscolorectalcancer）4/25/202362碱基错配、少量插入、缺失——机体校正

DNA聚合酶3’→5’的校对功能

DNA聚合酶未发现错配，错配修复（mismatchrepair,MMR）4/25/202363错配修复系统：酶：错配矫正酶（mismatchcorrectionenzyme）DNA聚合酶ⅢDNA连接酶等11种蛋白步骤：启始、切除、修复4/25/202364启始：根据序列GATC中腺嘌呤（A）的甲基化程度不同，错配矫正酶的MutS部分识别错配区域，MutH、MutL识别未甲基化的GATC序列，将新合成单链切出缺口（nick）切除：核酸外切酶将GATC到错配区域间的DNA链切除。为防止剩下的暴露单链降解，需单链结合蛋白（SSb）保护修复：DNA聚合酶Ⅲ合成，连接酶对缺口进行连接4/25/2023654/25/202366林氏综合症(LynchSyndrome)卵巢癌综合症4/25/2023672、光修复（photoreactivation）直接修复可见光激活光复活酶，消除由于紫外线照射而形成的嘧啶二聚体（低等生物和鸟类）。4/25/202368紫外光照射可使相邻的两个T形成二聚体光修复酶使二聚体解聚为单体状态，DNA完全恢复正常光修复酶的激活需300～600μm波长的光。4/25/2023694/25/2023703、暗修复（darkrepair）（1）切除修复：掌握概念和过程参与的酶：核酸内切酶，polⅠ,DNA连接酶4/25/2023714/25/202372（2）重组修复：了解概念和过程重组蛋白RecA，polⅠ，连接酶损伤保留4/25/2023734/25/2023744/25/202375（3）诱导修复和应急反应（SOS）：避免差错的修复倾向差错的修复了解概念和过程4/25/2023