第三章DNA的生物合成

第三章DNA的生物合成

第一节DNA复制

一.DNA复制的基本特点

（一）复制的起始点和方向E.Coli基因图目录5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’5’3’复制子3’

（二）复制的方式１．半保留复制

5’-AGCCATGC-3’5’-AGCCATGC-3’3’-TCGGTACG-5’3’-TCGGTACG-5’

5’-AGCCATGC-3’

3’-TCGGTACG-5’

DNA复制的方式

亲代DNA分子第一子代分子第二子代分子15N-DNA14N-DNA混合1

2

3DNA半保留复制及实验依据按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗传信息，体现了遗传的保守性。半保留复制的意义遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。2．半不连续复制

二、原核生物染色体DNA的复制

(一)参与DNA复制的酶与蛋白质

1．DNA聚合酶(DNADependentDNAPolymerase,DDDP)

大肠杆菌的主要DNA聚合酶

DNA聚合酶DNAPolⅠDNAPolⅡDNAPolⅢ

5’→3’聚合酶有有有

3’→5’外切酶有有有

5’→3’外切酶有无无

功能校对功能损伤修复主要聚合酶损伤修复水解引物填补缺口5´AGCTTCAGGATA

3´

|||||||||||3´TCGAAGTCCTAGCGAC5´3

5

外切酶活性5

3

外切酶活性?能切除突变的DNA片段。能辨认错配的碱基对，并将其水解。

核酸外切酶活性目录功能：对复制中的错误进行校读，对复制和修复中出现的空隙进行填补。DNA-polⅠ（109kD）323个氨基酸小片段5

核酸外切酶活性大片段/Klenow片段

604个氨基酸DNA聚合酶活性

5

核酸外切酶活性N端C端木瓜蛋白酶DNA-polⅠKlenow片段是实验室合成DNA，进行分子生物学研究中常用的工具酶。

DNA-polⅡ（120kD）

DNA-polII基因发生突变，细菌依然能存活。它参与DNA损伤的应急状态修复。

DNA聚合酶Ⅲ

二、原核生物染色体DNA的复制

(一)参与DNA复制的酶与蛋白质

1．DNA聚合酶(DNADependentDNAPolymerase,DDDP)

大肠杆菌的主要DNA聚合酶

DNA聚合酶DNAPolⅠDNAPolⅡDNAPolⅢ

5’→3’聚合酶有有有

3’→5’外切酶有有有

5’→3’外切酶有无无

功能校对功能损伤修复主要聚合酶损伤修复1.遵守严格的碱基配对规律；2.聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能；3.复制出错时DNA-pol的及时校读功能。DNA复制的保真性至少要依赖三种机制

1．DNA聚合酶（DNApolymerase）

底物:4种dNTP模板:单链DNA引物:RNA片段

2．引物酶（primase）

在原核生物,催化合成RNA引物(55~100个核苷酸)的RNA聚合酶在真核生物，引发酶与DNA聚合酶α形成一个复合物，这个复合物合成大约10个核苷酸长的RNA引物

3．解链酶(helicase)

在DNA复制中以单链DNA为模板，合成子代DNA。解链酶能解开双螺旋，其作用是在复制叉前解开一小段DNA。4．拓扑异构酶（topoisomerase）

在复制过程中，DNA的超螺旋结构必须解开，拓扑异构酶能松弛超螺旋。人类有两种拓扑异构酶，分别为I型和II型。

5．单链DNA结合蛋白(single-strandDNAbindingprotein,SSB)

6.DNA连接酶

DNA连接酶催化两个DNA片段通过3’，5’-磷酸二酯键连接在一起，形成更大的DNA片段。这一反应需要ATP供能。DNA连接酶不但在DNA复制中起作用，而且在DNA损伤的修复和重组DNA中不可缺少。(二)原核生物DNA的复制过程

1．复制的起始2．DNA链的合成3．复制的终止1．复制的起始参与细菌复制起始的各种蛋白质及其功能

蛋白质名称功能

DnaA识别起始位点

DnaB解链酶活性，解开DNA双链

DnaC协助解链酶的活性

DnaG引发酶活性，催化RNA引物合成

SSB单链DNA结合蛋白，稳定解开的单链

Omega(ω)拓扑异构

gyrase(旋转酶）拓扑异构DnaADnaB、DnaCDNA拓扑异构酶引物酶SSB3

5

3

5

2.引发体和引物含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。

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（二）复制的延长复制的延长指在DNA-pol催化下，dNTP以dNMP的方式逐个加入引物或延长中的子链上，其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。

5'3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH3'3'DNA-pol目录领头链的合成目录随从链的合成目录目录复制过程简图目录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目录表12-3真核细胞几种主要DNA聚合酶的性质

DNA聚合酶

α

β

γ

δ

ε

蛋白质分子量(K)>25036~38160~300170256

细胞定位核核线粒体核核

5’3’聚合活性中高高高

3’5’外切酶活性无无有有有功能引物酶活性低保真复制线立体DNA复制主要聚合酶填补引物空隙切除修复端粒DNA的合成

端粒(telomeres)是染色体末端的结构，它是由许多富含鸟嘌呤核苷酸的特殊的重复顺序DNA及相关蛋白质组成的复合体。端粒酶（telomerase）是催化端粒合成的酶。端粒酶是由蛋白质及RNA组成的，它具有逆转录酶的活性，能与自身携带的RNA为模板，逆转录合成端粒DNA

端粒DNA：人的DNA的3’末端存在的重复顺序（TTAGGG）n

端粒酶：催化端粒DNA的复制，酶本身含有与端粒DNA序列互补的RNA片段。逆转录过程某些病毒是以RNA为基因组，如RNA肿瘤病毒及AIDS病毒。它们分别造成人类肿瘤和免疫缺陷。逆转录酶（reversetranscriptase）可催化以RNA为模板合成DNA的反应。因此它又被称为RNA指导的DNA聚合酶（RNA-directedDNApolymerase,RDDP）。

逆转录酶具有双重功能。它既可利用病毒RNA作模板，合成一条与模板互补的DNA单链，二者形成RNA-DNA杂交分子。逆转录酶同时又具有核糖核酸酶H的活性，专一地水解RNA-DNA杂交分子中的RNA。留下来的单链DNA作模板，在DNA指导的DNA聚合酶的作用下，合成另一条互补DNA链，形成双链DNA分子

逆转录过程

AftertheRNAretrovirusentersahostcell,itsgenomicRNAwillbetranscribedintoadoublestrandedDNAandthenintegratedintothehostDNA.

TheRNAtoDNAtranscriptioniscalledreversetranscription.

Figure4-J-1.

Mechanismofreversetranscription.

TheentireprocessiscatalyzedbyreversetranscriptasewhichhasbothDNApolymeraseandRNaseHactivities.Aretrovirus-specificcellulartRNAhybridizeswithacomplementaryregioncalledtheprimer-bindingsite(PBS).ADNAsegmentisextendedfromtRNAbasedonthesequenceoftheretroviralgenomicRNA.TheviralRandU5sequencesareremovedbyRNaseH.Firstjump:DNAhybridizeswiththeremainingRsequenceatthe3'end.ADNAstrandisextendedfromthe3'endMostviralRNAisremovedbyRNaseH.AsecondDNAstrandisextendedfromtheviralRNABothtRNAandtheremainingviralRNAareremovedbyRNaseH.Secondjump:ThePBSregionofthesecondstrandhybridizeswiththePBSregionofthefirststrand.ExtensiononbothDNAstrands.

LTR

standsfor"longterminalrepeat真核生物DNA复制具有不同的特点真核生物DNA复制具有与原核生物DNA复制不同的特点（一）真核生物DNA复制时需要解开和重新组装核小体结构组蛋白的合成与DNA的复制相适应。（二）真核生物染色体DNA的复制从多个位点起始（三）真核生物染色体DNA需要特殊机制复制端粒（四）真核生物染色体DNA全部复制完以前不会启动新一轮复制细胞周期蛋白D的水平在G1后期升高，激活S期的CDK2，复制许可因子是CDK2的底物。复制许可因子一般不能通过核膜进入核内，但是在有丝分裂的末期、核膜重组之前进入细胞核，与DNA的复制起点结合。当细胞再次进入S期时，复制许可因子可被CDK2激活，启动复制。一旦复制启动，复制许可因子失去活性或被降解。在细胞周期的其它时间内，新的复制许可因子不能进入核内，保证基因组的复制在一个细胞周期内只能进行一次。（五）线粒体DNA以D环模式进行复制

不同基因组DNA复制的过程具有共同机制1、基因组DNA都具有固定的复制起始点2、复制过程中形成复制泡和复制叉3、复制的基本单位称为复制子4、半保留复制方式保证遗传信息的忠实传递5、半不连续复制方式克服了DNA空间结构对DNA新链合成的制约不同基因组DNA复制具有不同的特点1、真核生物基因组DNA复制过程中涉及到逆转录2、基因组单链DNA通过复制中间体完成复制3、有的基因组DNA需要通过RNA中间体进行复制4、双连环状DNA也有不同的复制方式θ复制绝大多数戈兰阴性菌的质粒滚环复制某些病毒、噬菌体的环状DNAD环复制线粒体DNA第五章DNA的损伤与修复

第一节多种因素可引起DNA的损伤

一、紫外线引起DNA损伤

胸腺嘧啶二聚体5万/细胞/小时

DNA之间的交联

DNA与蛋白质的交联

DNA连的断裂

二、电离辐射引起DNA损伤1．碱基的变化碱基氧化修饰过氧化物的形成碱基环的破坏碱基的脱落

二、电离辐射引起DNA损伤2．脱氧核糖的变化脱氧核糖的分解

DNA链的断裂单链断裂双链断裂

二、电离辐射引起DNA损伤3．DNA链交联

DNA-DNA交联

DNA-蛋白质交联三、烷化剂引起DNA损伤亲电子化合物分子中含有一个或多个活性烷基碱基或磷酸基被烷基化，尤其是鸟嘌呤1．碱基烷基化2．碱基脱落3．DNA断链4．DNA链交联（四）碱基类似物、修饰剂引起碱基对的改变5-溴尿嘧啶，5-氟尿嘧啶，2-氨基腺嘌呤亚硝酸盐（五）其他一些因素也可引起DNA损伤

吖啶类化合物(六）DNA也会产生自发性损伤1．DNA复制时产生碱基错配碱基错配发生率DNA复制时10-1~10-23/5/外切酶活性10-5~10-6校对作用后10-92．DNA修复时产生碱基错配3．碱基自发改变导致DNA损伤互变异构导致DNA突变G或T以稀醇式出现发生G与T配对A或C以亚氨式出现发生A与C配对脱氨基作用导致DNA突变CU

AI

GX

碱基丢失导致DNA突变DNA损伤的表现形式链内共价交联链间共价交联DNA链断裂碱基突变插入或缺失DNA重排

突变的意义（一）