DNA复制转录翻译

1、主讲教师：黄慧聪,医学分子生物学基础,肺炎支原体肺炎流行病学、临床特征与诊疗规范化研究潘长旺,发展简史,2,主要内容,3,4,5,DNA复制、转录和翻译,DNA重组与基因工程,基因与疾病,1,发展简史,准备和酝酿,建立和发展,蛋白质是生命的主要基础物质,DNA是遗传的物质基础,遗传中心法则的建立,蛋白质翻译合成的基本过程,1953年 Watson-Crick的DNA双螺旋结构模型,Watson-Crick的DNA双螺旋,主要内容,基因工程技术,基因表达的调控,生物大分子的结构和功能,生物信息学,DNA复制、转录和翻译,中心法则（ central dogma）,遗传信息传递方向的规律,DNA通过

2、复制将遗传信息由亲代传递给子代；通过转录和翻译，将遗传信息传递给蛋白质分子，从而决定生物的表现型。DNA的复制、转录和翻译过程就构成了遗传学的中心法则。,在RNA病毒中，其遗传信息贮存在RNA分子中。遗传信息的流向是RNA通过复制，将遗传信息由亲代传递给子代，通过反转录将遗传信息传递给DNA，再由DNA通过转录和翻译传递给蛋白质，这种遗传信息的流向就称为反中心法则。,染色体结构与DNA复制 基因的转录与加工 蛋白质的翻译 蛋白质合成后的修饰加工 蛋白质合成后的靶向输送,一、染色体结构与DNA复制,（一）复制的基本规律 （二）DNA复制的条件 （三）DNA生物合成过程 （四）真核生物端粒 （五）

3、逆转录,染色体：,DNA,基因,基因和染色体，DNA和脱氧核苷酸的关系：,每一条染色体只含有一个DNA分子，每个DNA分子上有很多基因，基因是DNA片段，在染色体上呈线性排列，每个基因中又有成百上千个脱氧核苷酸。每个基因有特定的脱氧核苷酸排列顺序，它代表着遗传信息,是基因的载体。,DNA在复制时，以亲代DNA的每一股作模板，合成完全相同的两个双链子代DNA，每个子代DNA中都含有一股亲代DNA链，这种现象称为DNA的半保留复制(semi-conservative replication)。,1、半保留复制,（一）复制的基本规律,DNA半保留复制示意图,DNA半保留复制研究实验结果示意图,按半保

4、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。 遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。,半保留复制的意义,DNA在复制时，需在特定的位点起始，这是一些具有特定核苷酸排列顺序的片段，即复制起始点(origin) 。 在原核生物中，复制起始点通常为一个，而在真核生物中则为多个。,2、有一定的复制起始点,复制起始点与复制子示意图,习惯上把两个相邻DNA复制起始点之间的距离（或DNA片段）定为一个复制子(replicon) 。 复制子是独立完成复制的功能单位。 DNA复制时，局部双螺旋解开形成两条单链，这种叉状结构称为复制叉。,复制

5、起始点、复制子与复制叉（动画演示）,参与DNA复制的DNA聚合酶，必须以一段具有3端自由羟基（3-OH）的RNA作为引物(primer) ，才能开始聚合子代DNA链。 RNA引物的大小，在原核生物中通常为50 100个核苷酸，而在真核生物中约为10个核苷酸。RNA引物的碱基顺序，与其模板DNA的碱基顺序相配对。,3、需要引物,DNA复制时，以复制起始点(origin)为中心，向两个方向进行解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为双向复制(bidirectional replication)。 但在低等生物中，也可进行单向复制（如滚环复制）。,4、双向复制,DNA聚合酶只能以53方向聚合子代DN

6、A链，即模板DNA链的方向必须是35。 由于DNA分子中两条链的走向相反，因此当分别以两条亲代DNA链作为模板聚合子代DNA链时，子代链的聚合方向也是不同的。,5、半不连续复制,领头链 (leading strand),随从链 (lagging strand),DNA的半不连续复制,以35方向的亲代DNA链作模板的子代链在复制时基本上是连续进行的，其子代链的聚合方向为53，这一条链被称为领头链(leading strand)。 以53方向的亲代DNA链为模板的子代链在复制时则是不连续的，其链的聚合方向也是53，这条链被称为随从链(lagging strand)。 领头链连续复制而随从链不连续复

7、制，就是复制的半不连续性。,由于亲代DNA双链在复制时是逐步解开的，因此，随从链的合成也是一段一段的。DNA在复制时，由随从链所形成的一些子代DNA短链称为冈崎片段(Okazaki fragment)。 冈崎片段的大小，在原核生物中约为10002000个核苷酸，而在真核生物中约为100个核苷酸。,以四种脱氧核糖核酸(deoxynucleotide triphosphate)为底物，即dATP，dGTP，dCTP，dTTP。,1、底物(substrate),（二）DNA复制的条件,DNA复制过程中脱氧核糖核苷酸的聚合反应,DNA复制是模板依赖性的，必须要以亲代DNA链作为模板。亲代DNA的两股链

8、解开后，可分别作为模板进行复制。,2、模板(template),引物酶(primerase)本质上是一种依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP），该酶以DNA为模板，聚合一段RNA短链引物(primer)，以提供自由的3-OH，使子代DNA链能够开始聚合。 引物酶需组装成引发体才能催化RNA引物的合成。,3、引发体和RNA引物,引物酶催化合成短链RNA引物分子,引物,引物酶,4、DNA聚合酶,全称：依赖DNA的DNA聚合酶 ( DNA-dependent DNA polymerase, DDDP ) 简称：DNA-pol 活性：1. 53 的聚合酶活性 2. 核酸外切酶活性,DNA连接酶(DNA

9、ligase)可催化两段DNA片段之间磷酸二酯键的形成，从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。,5、DNA连接酶,DNA连接酶的连接作用,DNA复制过程简图,DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的作用。 在DNA修复、重组及剪接中也起缝合缺口作用。 是基因工程的重要工具酶之一。,DNA连接酶的作用,解螺旋酶(helicase) ，又称解链酶或rep蛋白，是用于解开DNA双链的酶蛋白。 每解开一对碱基，需消耗2分子ATP。,6、解螺旋酶,单链DNA结合蛋白（single strand binding protein, SSB），又称螺旋反稳蛋白(HDP)，是一些能够与单链DNA结合的蛋白质因

10、子。,7、单链DNA结合蛋白,SSB的生理作用,使解开双螺旋后的DNA单链能够稳定存在，即稳定单链DNA，便于其作为模板复制子代DNA； 保护单链DNA，避免核酸酶的降解。,8、DNA拓扑异构酶,人类拓扑异构酶的分子结构,能够松解DNA超螺旋结构的酶。,DNA复制过程中正超螺旋的形成,解链过程中正超螺旋的形成,拓扑异构酶的作用特点 既能水解 、又能连接磷酸二酯键,拓扑异构酶 拓扑异构酶,分 类,DNA拓扑异构酶的作用机制,1、复制的起始,（三） DNA生物合成过程,解旋解链，形成复制叉 引发体组装和引物合成,2、复制的延长,DNA聚合酶,dATP,dGTP,dTTP,dCTP,dTTP,dGT

11、P,dATP,dCTP,OH 3,3,DNA复制的延长过程,3、复制的终止,去除引物，填补缺口 连接冈崎片段,端粒（telomere）是指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构部分，通常膨大成粒状。,（四）真核生物端粒,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。,端粒酶(telomerase),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。,端粒酶的分子结构,端粒酶的爬行模型（动画演示）,（五） 逆转录,1、逆转录病毒和逆转录酶,逆转录病毒细胞内的逆转录现象：,

12、2、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。 逆转录现象说明：至少在某些生物，RNA同样兼有遗传信息传代与表达功能。 对逆转录病毒的研究，拓宽了20世纪初已注意到的病毒致癌理论。,（一）RNA的转录过程：（略） 转录起始 链的延伸 转录终止,二、基因的转录与加工,（二）RNA的转录后加工 在细胞内，由RNA聚合酶合成的原初转录物（primary transcript）往往需要一系列的变化，才转变为成熟的RNA分子。此过程总称为RNA的成熟或称为RNA的转录后加工。,1、mRNA前体的加工： 原核生物的mRNA转录后一般不需要加工，转录的同时即进行翻译（半寿期短）。

13、亦有少数多顺反子的mRNA需要核酸酶切成小单位，然后再翻译。,真核生物mRNA（半寿期较长）转录物很大，在加工过程中形成许多分子大小不等的中间物，它们被称为核内不均一RNA（heterogeneous nuclear RNA, hnRNA)，需要进一步进行加工修饰转化为mRNA。加工包括： （1）hnRNA被剪接，把内含子（DNA上非编码序列）转录序列剪掉，把外显子（DNA上的编码序列）转录序列拼接上(真核生物一般为不连续基因)。 （2）3端添加polyA “尾巴”； （3）5端连接“帽子”结构（m7G5ppp5NmpNp-）； （4）分子内部的核苷酸甲基化修饰。,2、tRNA前体的加工： 原

14、核与真核生物的tRNA转录后都需要加工。,3、 rRNA前体的加工：,原核与真核生物的rRNA转录后也都需要进行加工。 原核：刚转录的rRNA为30S，先在特定的碱基上进行甲基化（核糖2-羟基）修饰，后逐步裂解。 真核：45S（哺乳动物）、38S（果蝇）、37S（酵母）,tRNAs are cleaved from transcripts of rRNA operons,三、蛋白质的翻译,1、遗传密码 (genetic code): DNA（或mRNA）中核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系。 2、密码子(codon)： mRNA上每3个相邻核苷酸编码多肽链中一个氨基酸，这三个核苷酸称

15、一个密码子或三联体密码。,（一）遗传密码两个概念,3、 遗传密码字典,mRNA：蛋白质的DNA序列信息的中间体。 tRNA：运送特定氨基酸到核糖体上合成蛋白质。 rRNA：核糖体的组成元件。,（二）蛋白质合成中使用的RNA,1、mRNA 是蛋白质合成的模板,原核生物mRNA与真核生物mRNA结构比较,核糖体可以不从mRNA上解离连续合成三个蛋白质,2、 tRNA转运活化的氨基酸至mRNA模板上,有20种分子转换器，每种氨基酸一个,3、 rRNA核糖体是蛋白质合成的工厂,核糖体得到分离后，发现含有RNA，即称rRNA。,（三）核糖体大小亚基的生物学功能,小亚基： 通过密码子与反密码子的配对，识别

16、并结合模板mRNA，蛋白质合成中A位、P位、E位的一部分等。 大亚基： 结合多肽链，催化肽键形成、蛋白质合成中A位、P位、E位的一部分等。, mRNA结合部位； 结合AA-tRNA部位（A位）； 结合肽基 tRNA部位（P位）； 空载tRNA移出部位（E位）； 形成肽键的部位。 此外，还有用于起始和延伸的各种蛋白质因子结合部位。,核糖体发挥生物学功能的5个基本部位,Ala（A） Val（V） Leu（L） Ile（I） Pro（P） Met（M） His（H） Gly（G） Ser（S） Thr（T） Cys （C） Phe（F） Trp（W） Asp（D） Glu（E） Lys（K） Gln（Q） Arg（R） Tyr（Y） Asn（N）,（四） 蛋白质合成中使用的20种氨基酸,1、蛋白质合成的起始,多数多顺反子的翻译独立发生某些细菌中，mRNA相邻顺反子翻译直接相连，可由一个核糖体翻译,（五） 蛋白质合成的生物学