烟大生化34.ppt

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1、2019年6月22日,1,？,Reolication Repair of DNA,Chapter34 DNA的复制和修复,核酸代谢,2019年6月22日,2,（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,2019年6月22日,3,（二）中心法则,DNA,RNA,protein,replication,transcription,reverse transcription,translation,replication,2019年6月22日,4,2019年6月22日,5,二、DNA的复制,（一）

2、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）,2019年6月22日,6,2019年6月22日,7,2019年6月22日,8,2019年6月22日,9,2019年6月22日,10,以亲代DNA为模板产生子代DNA的过程 最初半保留复制（semiconservation replication） 进一步研究:半保留复制为半不连续复制 （semidiscontinuous replication）,（二）DNA复制,DNA的自我复制,2019年6月22日,11,DNA复制，双螺旋解开成单链

3、，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、Crick,2019年6月22日,12,2、DNA半保留复制的证据,氮同位素示踪试验、放射自显影法 （1958，Meselson、Stahl）,2019年6月22日,13,2019年6月22日,14,（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

4、起点 真核生物：DNA线形，多个复制起点,2019年6月22日,15,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(replication fork),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(growing point),2019年6月22日,16,2019年6月22日,17,2019年6月22日,18,2019年6月22日,19,（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

5、,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,2019年6月22日,20,Topo 解开超螺旋,Topo ,DNA单链断裂、重新连接,每次只作用于一条链（催化瞬时的单链的断裂和连接） 不需要能量辅因子（ATP、NAD）,E.Coli：蛋白 大白鼠肝：切割-封闭酶（nicking-closing enzyme）,2019年6月22日,21,Topo ,同时断裂、连接双链DNA 需要ATP、NAD,亚类：,DNA旋转酶（DNA gyrase）： 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）：

6、 原核、真核 无超螺旋的松弛形式（relaxed form）,2019年6月22日,22,Topo ： 切开DNA中的一条链，与另一 条链解缠绕或再缠绕连接,Topo 同时切开DNA双链 解旋或再螺旋连接,2019年6月22日,23,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DNA,2019年6月22日,24,2019年6月22日,25,2019年6月22日,26,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（

7、SSB）： 结合于解开的DNA单链，防止双螺旋再形成（阻止DNA复性）,2019年6月22日,27,引物酶：合成RNA引物,DNA聚合酶：只能延长子链（不能从头合成） 子链的合成必须有5端核苷酸引物存在 引物由引物酶催化合成，引物酶特殊的RNA聚合酶 引物：小段RNA，在此基础上，DNA聚合酶延长子链,2019年6月22日,28,3、DNA聚合酶（DNA polymerase） ：延长子链,DNA聚合酶不能从头合成子链，只能延长 DNA聚合酶：多种类、多种活性,2019年6月22日,29,2019年6月22日,30,1）DNA聚合反应条件,（1）底物 dNTP（dATP，dGTP，dCTP，d

8、TTP）,（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,2019年6月22日,31,2）聚合机制,（1）DNA聚合酶： 5 3的聚合活性,需引物链,2019年6月22日,32,（2）DNA聚合酶：核酸外切酶活性 35外切酶活性 53外切酶活性,2019年6月22日,33,3）DAN聚合酶（DNA polymerase）分类,大肠杆菌DNA聚合酶,I、,DNA聚合酶I：多功能酶 1）沿53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

9、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。,2019年6月22日,34,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,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,2019年6月22日,35,DNA聚合酶： 3 5核酸外切酶活力,DNA聚合酶： 真正起复制作用的酶，对温度敏感（415页）,2019年6月22日,36,E.Coli的DNA聚合酶,2019年6月22日,37,真核细胞中的DNA聚合酶,2019年6月22日,38,DNA聚合酶水解引

10、物并填补空隙,2019年6月22日,39,4、DNA连接酶：填补缺口、连接冈崎片段,2019年6月22日,40,2019年6月22日,41,2019年6月22日,42,（五）DNA复制的拓扑性质（419）,1、解螺旋酶,领头链 rep蛋白 Dna B 随从链 解链酶,2019年6月22日,43,引物酶 RNA聚合酶 Dna G（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,2019年6月22日,44,DNA复制酶系,2019年6月22日,45,（六） DNA 的半不连续复制,日本，冈崎（

11、1968）,1、概念,DNA、RNA：合成方向53,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）,2019年6月22日,46,DNA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）,2019年6月22日,47,（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、SSB,2）RNA引物合成： 依赖于单链

12、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,2019年6月22日,48,2、复制的延长：,1）子链延长： 引物合成，pol（真核为DNA或）催化 在引物3-OH末端添加与模板链对应互补的dNTP,2）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）,2019年6月22日,49,3、复制的终止,1）水解引物及填补空隙： 冈崎片段合成后，pol（真核可能是）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

13、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,2019年6月22日,50,2019年6月22日,51,2019年6月22日,52,DNA的复制导致端粒缩短,2019年6月22日,53,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,逆转录酶： RNA病毒潜在的致癌可能,2019年6月22日,54,2019年6月22日,55,三、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

14、，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,2019年6月22日,56,1、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,2019年6月22日,57,2、DNA损伤的后果,1）D

15、NA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,2019年6月22日,58,2019年6月22日,59,（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,2019年6月22日,60,DNA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

16、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,2019年6月22日,61,2005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,2019年6月22日,62,DNA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 （hereditary nonpolyposis colorectal cancer）,2019年6月22日,63,碱基

17、错配、少量插入、缺失机体校正 DNA聚合酶35的校对功能,DNA聚合酶未发现错配，错配修复 （mismatch repair, MMR）,2019年6月22日,64,错配修复系统： 酶：错配矫正酶 （mismatch correction enzyme） DNA聚合酶 DNA连接酶等11种蛋白 步骤：启始、切除、修复,2019年6月22日,65,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

18、露单链降解，需单 链结合蛋白（SSb）保护 修复：DNA聚合酶合成，连接酶对缺口 进行连接,2019年6月22日,66,2019年6月22日,67,林氏综合症(Lynch Syndrome),卵巢癌综合症,2019年6月22日,68,2、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）。,2019年6月22日,69,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300600m波长的光。,2019年6月22日,70,2019年6月22日,71,3、暗修

19、复（dark repair）,（1）切除修复：掌握概念和过程,参与的酶：核酸内切酶，pol,DNA连接酶,2019年6月22日,72,2019年6月22日,73,（2）重组修复：了解概念和过程,重组蛋白RecA，pol，连接酶 损伤保留,2019年6月22日,74,2019年6月22日,75,2019年6月22日,76,（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,2019年6月22日,77,2019年6月22日,78,DNA损伤严重，复制难以继续 复制、修复的酶：重组蛋白RecA，调控蛋白LexA等 组成庞大的调控网络 特异性很低 着色性干皮病：患者缺

20、乏特异的核酸内切酶 紫外光照射后易患皮肤癌,2019年6月22日,79,2019年6月22日,80,2019年6月22日,81,四、DNA的突变,1、突变,DNA分子上碱基的改变,自发突变、人工诱变,突变的意义,进化、分化的分子基础 只有基因型改变的突变 致死性的突变 某些疾病的发病基础,2019年6月22日,82,2、引发突变的因素,诱变因素及突变类型,2019年6月22日,83,3、突变分子改变的类型,1）碱基对的置换：,错配（点突变）：一个碱基改变,2019年6月22日,84,2019年6月22日,85,2）移码突变,缺失、插入、框移突变,片段插入或缺失,2019年6月22日,86,3）重排：较大片段重组或重排,2019年6月22日,87,2019年6月22日,88,2019年6月22日,89,2019年6月22日,90,2019年6月22日,91,2019年6月22日,92,2019年6月22日,93,2019年6月22日,94,2019年6月22日,95,2019年6月22日,96,2019年6月22日,97,2019年6月22日,98,2019年6月22日,99,