第九章 DNA复制课件

第九章DNA的生物合成(复制)DNABiosynthesis，Replication

第九章DNA复制本章内容第一节DNA复制的基本规律第二节DNA复制的酶学第三节DNA生物合成过程第四节逆转录第五节DNA损伤与修复第九章DNA复制中心法则第九章DNA复制第一节复制的基本规律复制(replication)：是指遗传物质的传代，以母链DNA为模板合成子链DNA的过程。复制亲代DNA子代DNA第九章DNA复制复制的化学反应

(dNMP)n

+dNTP→(dNMP)n+1

+PPi

第九章DNA复制第九章DNA复制第九章DNA复制一、半保留复制

(semiconservativereplication)二、双向复制

(bidirectionalreplication)三、半不连续复制

(semi-discontinuousreplication)第九章DNA复制一、半保留复制(semiconservativereplication)（一）概念：DNA生物合成时，母链DNA解开为两股单链，各自作为模板，按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。子代细胞的DNA，一股单链从亲代完整接受过来，另一股单链则完全重新合成，两个子细胞的DNA都和亲代DNA碱基序列一致，这种复制方式为半保留复制。第九章DNA复制(二)实验依据：密度梯度实验

（MeselsonandStahl）

第九章DNA复制密度梯度实验

——实验结果支持半保留复制的设想含重氮N15-DNA的细菌培养于普通培养液

第一代继续培养于普通培养液

第二代梯度离心结果重DNAN15普通DNAN14杂合DNAN15/N14杂合DNAN15/N14第九章DNA复制（三）生物学意义：

1.保证遗传信息传递的忠实性

2.遗传和变异的统一第九章DNA复制第九章DNA复制复制时，DNA从起始点(origin)向两个方向解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为双向复制。二、双向复制(bidirectionalreplication)第九章DNA复制A.环状双链DNA及复制起始点B.复制中的两个复制叉C.复制接近终止点(termination,ter)oriterABC原核生物DNA双向复制第九章DNA复制5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’5’3’复制子3’真核生物DNA多复制子复制第九章DNA复制原核生物：只有一个复制子真核生物：多个复制子，多个起点，形成多个“复制眼”或“复制泡”第九章DNA复制第九章DNA复制复制起始点、复制子与复制叉（动画演示）第九章DNA复制三、半不连续复制

(semi-discontinuousreplication)顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链（先导链）。复制方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称为随从链（滞后链）。复制中的不连续片段称为冈崎片段(okazakifragment)。第九章DNA复制3

5

3

5

解链方向3´5´3´3´5´领头链(leadingstrand)随从链(laggingstrand)岡崎片段(okazakifragment)顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链。复制方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称为随从链。复制中的不连续片段称为岡崎片段。第九章DNA复制3

5

3

5

解链方向3´5´3´3´5´领头链(leadingstrand)随从链(laggingstrand)

领头链连续复制而随从链不连续复制

——复制的半不连续性RNA引物RNA引物第九章DNA复制

DNA复制的酶学TheEnzymologyofDNAReplication第二节第九章DNA复制参与DNA复制的物质模板(template):

解开成单链的DNA母链底物(substrate):

dNTP(dATP,dGTP,dCTP,dTTP)引物(primer):

提供3

-OH末端使dNTP可以依次聚合聚合酶(polymerase):

依赖DNA的DNA聚合酶，简写为DNA-pol其他的酶和蛋白质因子第九章DNA复制一、解螺旋酶(helicase)

——利用ATP供能，作用于氢键，使DNA双链解开成为两条单链二、单链DNA结合蛋白(singlestrandedDNAbindingprotein,SSB)——复制中维持模板处于单链状态并保护单链完整第九章DNA复制108

局部解链后三、DNA拓扑异构酶

(DNAtopoisomerase)

第九章DNA复制拓扑异构酶作用特点既能水解、又能连接磷酸二酯键

拓扑异构酶Ⅰ

拓扑异构酶Ⅱ分类第九章DNA复制第九章DNA复制四、DNA聚合酶全称：依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-dependentDNApolymerase)简称：DNA-pol活性：1.5

3

的聚合活性：以DNA为模板合成DNA2.核酸外切酶活性：5

3

3

5

第九章DNA复制5´AGCTTCAGGATA

3´

|||||||||||3´TCGAAGTCCTAGCGAC5´3

5

外切酶活性5

3

外切酶活性切除引物和突变的DNA片段。能辨认错配的碱基对，并将其水解。

核酸外切酶活性第九章DNA复制（一）原核生物的DNA聚合酶DNA-polⅠDNA-polⅡDNA-polⅢ第九章DNA复制功能：

5

3

聚合酶活性、

5

3

和3

5

外切酶活性

复制中的错误校读，复制和修复中的空隙填补。DNA-polⅠ（109kD）第九章DNA复制DNApolⅠ:5‘→3’聚合活性和5‘→3’外切酶活性缺刻平移(nicktranslation)第九章DNA复制DNA-polⅡ（120kD）DNA-polII基因发生突变，细菌依然能存活。它可能参与DNA损伤的应急状态修复。

第九章DNA复制功能：原核生物复制延长中真正起催化作用的酶

DNA-polⅢ(250kD)第九章DNA复制αεθ为核心酶：

α：5′→3′聚合活性

ε(伊普西龙)：3′→5′外切酶活性

θ(西塔)：维系αε二聚体作用β：夹稳模板链并使酶沿模板滑动Γ(宇普西龙

)复合物：促进全酶组装到模板上，增强核心酶的活性第九章DNA复制原核生物的DNA聚合酶第九章DNA复制（二）真核生物的DNA聚合酶DNA-pol

起始引发，有引物酶活性。复制的主要酶，兼有解螺旋酶活性。参与低保真度的复制。在复制过程中起校读、修复和填补空隙的作用（DNA-polⅠ)。在线粒体DNA复制中起催化作用。DNA-pol

DNA-pol

DNA-pol

DNA-pol

宇普西龙德尔塔

伊普西龙

第九章DNA复制真核生物的DNA聚合酶宇普西龙德尔塔

伊普西龙

第九章DNA复制五、引物酶(primase)：由EcolidnaG编码

特殊的RNA聚合酶

复制起始时催化生成RNA引物的酶

第九章DNA复制DNA聚合酶有3

5

外切酶活性也就说聚合酶在开始形成一个新的磷酸二酯键前，总先要检查前一个碱基是否正确，这就决定它不能从头开始合成。因此先合成一段低忠实性的多核苷酸来开始DNA的合成，并以核糖核苷酸来标记是“暂时”的，当DNA开始聚合以后再以5

3

核酸外切酶的功能切除，保证了复制的忠实性。

3

5

3

5

解链方向3´5´3´3´5´第九章DNA复制HO5’3’3’5’DNA连接酶ATPADP5’3’5’3’目录六、DNA连接酶第九章DNA复制1.断端的3

-OH末端，5

-P末端2.连接的是双链中的单链缺口3.需要ATPDNA连接酶作用条件：第九章DNA复制⑴复制中起最后接合缺口作用。⑵DNA修复、重组及剪接中起缝合缺口作用。⑶基因工程的重要工具酶之一。DNA连接酶功能第九章DNA复制DNA生物合成过程TheProcessofDNAReplication第三节第九章DNA复制一、原核生物的DNA生物合成第九章DNA复制（一）复制的起始：需要解决两个问题：1.DNA解开成单链，提供模板。2.合成引物，提供3-OH末端。θ复制第九章DNA复制E.coli复制起始点oriCGATTNTTTAATTT···GATCTNTTNTATT···GATCTCTTATTAG···11317293244···TGTGGATTA-‖-TTATACACA-‖-TTTGGATAA-‖-TTATCCACA5866166174201209237245

串联重复序列

反向重复序列5

3

5

3

1.DNA解链:有固定的复制起点OriC第九章DNA复制反向重复序列：由两个相同顺序的互补拷贝在同一DNA链上反向排列而成。这种重复顺序复性速度极快。第九章DNA复制复制叉的形成----DNA双链解开分成两股，各自作为模板进行复制，形成在显微镜下可看到的叉状结构。DnaB、DnaCDnaA3

5

3

5

动画DnaA蛋白能够识别并结合在OriC的9bp重复序列上，一旦这四个重复序列被占满了，20多个额外的DnaA就会以协同作用的方式与OriC结合形成初始复合物。DnaA使得起始位点左侧的3个富含AT的重复序列的两条链解开，形成开放复合体。这是在DnaC的帮助下，DnaB以六聚体的形式结合到这个open起始位点上，形成前引物复合体。第九章DNA复制3

5

3

5

引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。

引物3'HO5'引物酶DnaB、DnaCDNA拓扑异构酶SSB含有解螺旋酶(DnaB)

、DnaC、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。

2.引发体和引物第九章DNA复制引物酶3

5

3

5

引物3'HO5'DnaB、DnaCDNA拓扑异构酶SSBDnaB是解旋酶，它能够在促旋酶的帮助下，将DNA双链进一步解开，所形成的DNA单恋迅速被SSB四聚体结合，防止DNA链重新结合。然后，在其他蛋白的帮助下，具有产生RNA引物功能的引物酶也结合上去，形成引发体，然后以DNA为模板，分别在先导链和滞后链上合成出RNA引物出来。然后DNA聚合酶III结合到复制叉上，将第一个dNTP接到RNA引物的3-OH上，起始过程就结束了。第九章DNA复制在DNApolШ的催化下，以四种dNTP为底物，在RNA引物的3′端以磷酸二酯键连接上脱氧核苷酸并释放出焦磷酸。DNA链的延伸同时进行领头链和后随链的合成。5'3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH3'3'DNA-pol（二）复制的延长第九章DNA复制1、前导链的延长：

DNApolⅢ全酶二聚体的一个亚基与前导链的模板结合而发挥催化作用，与复制叉同向。第九章DNA复制2、滞后链的延长:DNA

pol

Ⅲ全酶二聚体的另一亚基与形成一个环的滞后链的模板结合发挥催化作用。

由于模板形成环,酶向前移动时,滞后链合成片段也沿5′→3′方向生长,与酶催化方向一致。滞后链片段合成接近前方滞后链片段5′末端时,模板被释放,环消失。继续重复,连续进行。第九章DNA复制原核生物基因是环状DNA，双向复制的复制片段在复制的终止点(ter)处汇合。oriter

E.coli8232oriterSV40500（三）复制的终止猴空泡病毒40第九章DNA复制5

5

5

RNA酶OHP5

DNA-polⅠdNTP5

5

PATPADP+Pi5

5

DNA连接酶

随从链上不连续性片段的连接第九章DNA复制哺乳动物的细胞周期DNA合成期G1G2SM•细胞能否分裂，决定于进入S期及M期这两个关键点。二、真核生物的DNA生物合成第九章DNA复制•多复制子复制子(replicon)：相邻两个复制起点之间的距离。复制子是独立完成复制的功能单位。复制有时序性，即复制子以分组方式激活而不是同步起动。（一）复制的起始第九章DNA复制第九章DNA复制参与者：

DNA-polα(引物酶活性)

polδ德尔塔

(聚合酶、解螺旋酶活性)

拓扑酶

复制因子

(replicationfactor,RF)

增殖细胞核抗原

(proliferationcellnuclearantigen,PCNA)(相当于原核生物DNA-polⅢ

β亚基，在复制起始和延长中起关键作用)第九章DNA复制3

5

5

3

领头链3

5

3

5

亲代DNA随从链引物核小体（二）复制的延长DNA-polδDNA-polα第九章DNA复制染色体DNA呈线状，复制在末端停止。染色体两端DNA子链上最后复制的RNA引物，去除后留下空隙。（三）复制的终止第九章DNA复制5

3

3

55

3

3

5+5

3

3

3

3

5

5

第九章DNA复制真核生物中DNA的复制特点1、真核生物染色体有多个复制起点，多复制眼，呈双向复制，多复制子。2、冈崎片段长约200bp，原核生物冈崎片段长1000-2000bp.3、真核生物DNA复制速度比原核慢,50bp/s,1700bp/s。4、真核生物染色体在全部复制完之前起点不再重新开始复制；而在快速生长的原核中，起点可以连续发动复制。真核生物快速生长时，往往采用更多的复制起点。5、真核生物有多种DNA聚合酶。6、真核生物线性染色体两端有端粒结构，防止染色体间的末端连接。由端粒酶负责新合成链5

端RNA引物切除后的填补，亦保持端粒的一定长度。第九章DNA复制端粒端粒中心粒图真核生物染色体

端粒(telomere)是真核生物线性染色体的两个末端所具有的特殊结构,其共同特点是一条链上富含T、G短序列的多次重复,而其互补链上富含A、C。（四）端粒的复制第九章DNA复制端粒主要有两大生理功能：（1）维持染色体结构的完整性，防止染色体被核酸酶降解及染色体间相互融和。（2）防止染色体结构基因在复制时丢失，解决了末端复制的难题。

DNA复制时，DNA聚合酶必须在RNA引物基础上从5′向3′方向延伸，而5′端RNA引物去除后因无引物的存在而不能复制，结果每复制一次染色体末端将丢失一段序列。端粒的存在使每次丢失的仅为端粒的一部分，从而保护了染色体内部的结构基因。端粒的合成主要依靠端粒酶来催化。第九章DNA复制

线性DNA在复制完成后，其末端由于引物RNA的水解而可能出现缩短。故需要在端粒酶（telomerase）的催化下，进行延长反应。5

3

3

55

3

3

5端粒酶是一种RNA-蛋白质复合体,它可以其RNA为模板,通过逆转录过程对末端DNA链进行延长。第九章DNA复制第九章DNA复制端粒酶的爬行模型（动画演示）第九章DNA复制第九章DNA复制母链藉非标准碱基配对回折DNA聚合酶端粒合成完成进一步加工第九章DNA复制第九章DNA复制

2009年诺贝尔生理学或医学奖授予3位美国科学家，以表彰他们“发现端粒和端粒酶是如何保护染色体的”。端粒和端粒酶为何物？它们如何保护染色体？医学专家对这一研究成果进行了通俗解释。黑龙江省医学会肿瘤专业委员会主任委员、哈尔滨医科大学附属肿瘤医院结直肠外科主任王锡山教授介绍，在生物细胞核中，有一种易被碱性染料染色的线状物质，人们称之为“染色体”。在染色体的末端，有个外形像帽子的特殊结构，这就是端粒。作为染色体末端的“保护帽”，端粒具有维持染色体的相对稳固、防止DNA互相融合及重组的功能，犹如卫兵那样守护染色体不受损害。而端粒酶的作用则是帮助合成端粒，并使端粒的长度得到稳定。

端粒和端粒酶：解开人类衰老及癌症之谜第九章DNA复制“端粒不仅与染色体的个性特质和稳定程度密切相关，而且还涉及细胞的寿命、衰老与死亡等诸多方面。”王锡山表示，在生命的初期，端粒酶异常活跃，之后细胞每分裂一次，端粒就变短一次，如果变得太短，细胞不再分裂，衰老就将开始。假若端粒酶活性很高，端粒的长度就能得到保持，细胞的老化就被推迟。同样，这一原理也能解释癌细胞无限增殖的机理，因为如果端粒长度可以长期维持，癌细胞也就将“生生不息”，无情地吞噬生命。“在恶性肿瘤日益威胁人类健康的今天，围绕端粒和端粒酶这条线索穷追不舍，有望早日攻克癌症这一医学难题。”王锡山说。端粒和端粒酶：解开人类衰老及癌症之谜第九章DNA复制1.亲代DNA为模板，严格遵守碱基配对规律；2.复制延长时聚合酶对碱基的选择功能；3.复制出错时DNA-pol的即时校读功能；4.错配修复机制DNA复制具有保真性至少要依赖三种机制：

第九章DNA复制第九章DNA复制逆转录和其他复制方式ReverseTranscriptionandOtherDNAReplicationWays第四节第九章DNA复制一、概念

逆转录指遗传信息从RNA流向DNA，是RNA指导下的DNA合成过程，即以RNA为模板，四种dNTP为原料，合成与RNA互补的DNA单链。RNADNA

逆转录酶第九章DNA复制二、逆转录酶(reversetranscriptase)

催化逆转录过程的酶称逆转录酶，RNA病毒中都含有此酶。具有三种酶活性：

RNA指导的DNA聚合酶

RNA酶

DNA指导的DNA聚合酶第九章DNA复制三、逆转录过程RNA模板逆转录酶DNA-RNA杂化双链RNA酶单链DNA逆转录酶双链DNA第九章DNA复制逆转录酶

AAAA

TTTTAAAASI核酸酶

DNA聚合酶Ⅰ碱水解

TTTT获取基因工程目的基因的重要方法之一，此法称为cDNA法。

以mRNA为模板，经逆转录合成的与mRNA碱基序列互补的DNA链。试管内合成cDNAcDNAcomplementaryDNAcDNA第九章DNA复制四、逆转录研究的意义

逆转录酶和逆转录现象，是分子生物学研究中的重大发现。

至少在某些生物，RNA同样兼有遗传信息传代与表达功能。逆转录病毒的研究，拓宽了病毒致癌理论。

第九章DNA复制DNA损伤（突变）与修复DNADamage(Mutation)andRepair第五节遗传物质的结构改变而引起的遗传信息改变，均可称为突变。在复制过程中发生的DNA突变称为DNA损伤(DNAdamage)。从分子水平来看，突变就是DNA分子上碱基的改变。

第九章DNA复制一、突变的意义（一）突变是进化、分化的分子基础（二）突变导致基因型改变（三）突变导致死亡（四）突变是某些疾病的发病基础

第九章DNA复制二、引发突变的因素物理因素紫外线(ultraviolet,UV)、各种辐射

UV第九章DNA复制化学因素第九章DNA复制三、突变的分子改变类型错配(mismatch)缺失(deletion)插入(insertion)重排(rearrangement)框移(frame-shift)

第九章DNA复制DNA分子上的碱基错配称点突变(pointmutation)。发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。1.转换发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。

2.颠换（一）错配第九章DNA复制镰形红细胞贫血病人Hb(HbS)β亚基N-val

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