第三講DNA與RNA生物合成ppt課件

1、第三講第三講 DNA與與RNA的生物合成的生物合成 DNA是貯藏遺傳信息的最重要的生物大分子。DNA分子中的核苷酸排列順序不但決定了胞內(nèi)所有RNA及蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)，還通過(guò)蛋白質(zhì)酶的功能間接控制了細(xì)胞內(nèi)全部有效成份的生產(chǎn)、運(yùn)轉(zhuǎn)和功能發(fā)揮。貯藏在任何基因中的生物信息都必須首先被轉(zhuǎn)錄生成RNA，才能夠得到表達(dá)。DNA和RNA雖然很相似，只有T或U及核糖的第二位碳原子上有所不同，但它們的生物學(xué)活性卻很不同。 RNA主要以單鏈形式存在于生物體內(nèi)，其高級(jí)結(jié)構(gòu)很復(fù)雜；RNA既擔(dān)負(fù)著貯藏及轉(zhuǎn)移遺傳信息的功能，又能作為核酶直接在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮代謝功能。 蛋白質(zhì)是生物信息通路上的終產(chǎn)物，一個(gè)活細(xì)胞在任何發(fā)育階段都需

2、要數(shù)千種不同的蛋白質(zhì)。因此，活細(xì)胞內(nèi)時(shí)刻進(jìn)行著各種蛋白質(zhì)的合成、修飾、運(yùn)轉(zhuǎn)和降解反應(yīng)。DNA代謝 無(wú)論是只含有一對(duì)染色體的原核細(xì)胞還是帶有多對(duì)染色體的真核細(xì)胞，只有整個(gè)基因組得到了完整準(zhǔn)確的復(fù)制，細(xì)胞分裂才能順利發(fā)生。所以說(shuō)，DNA復(fù)制的起始，標(biāo)志了細(xì)胞進(jìn)入一個(gè)新的周期。 、DNA復(fù)制復(fù)制 根據(jù)反應(yīng)階段和所需的不同酶類，根據(jù)反應(yīng)階段和所需的不同酶類，DNA的復(fù)的復(fù)制可被分為三個(gè)階段，即復(fù)制起始、延伸和制可被分為三個(gè)階段，即復(fù)制起始、延伸和終止。每個(gè)終止。每個(gè)DNA復(fù)制的獨(dú)立單元被稱為復(fù)制復(fù)制的獨(dú)立單元被稱為復(fù)制子子replicon），主要包括復(fù)制起始位點(diǎn)），主要包括復(fù)制起始位點(diǎn)Origine

3、of replication和終止位點(diǎn)和終止位點(diǎn)terminus）。原核生物的整個(gè)染色體上一）。原核生物的整個(gè)染色體上一般只有一個(gè)復(fù)制起始位點(diǎn)。般只有一個(gè)復(fù)制起始位點(diǎn)。 大腸桿菌大腸桿菌DNA的復(fù)制需要有的復(fù)制需要有20種左右的酶和種左右的酶和蛋白質(zhì)因子參與，整個(gè)蛋白質(zhì)因子參與，整個(gè)DNA復(fù)制機(jī)器被稱之復(fù)制機(jī)器被稱之為為DNA replicase system或或replisome。 原核DNA復(fù)制動(dòng)畫(huà) 注:（需軟件支持） Helicase，任何DNA在被復(fù)制前都必須解開(kāi)雙鏈，這個(gè)過(guò)程是由helicase來(lái)完成的，它可在ATP的作用下將DNA母鏈不斷解開(kāi)形成單鏈。 Topoisomerase，

4、主要功能是消除DNA解鏈過(guò)程中所產(chǎn)生的扭曲力。 DNA結(jié)合蛋白，使新解鏈的DNA保持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。 Primases，為DNA復(fù)制提供RNA引物。 DNA polymerases，合成新生DNA鏈，切除RNA引物。 DNA Ligases，使新生DNA鏈上的缺口3-OH, 5-p生成磷酸二酯鍵。DNA replicase system1. DNA復(fù)制的起始 大腸桿菌中的復(fù)制起始位點(diǎn)是Ori C，全長(zhǎng)245Bp，該序列在所有細(xì)菌復(fù)制起始位點(diǎn)中都是保守的。(續(xù)表） DNA復(fù)制起始中的主要步驟a. 大約20個(gè)左右的DnaA蛋白首先與OriC中的4個(gè)9堿基重復(fù)區(qū)相結(jié)合；b. 識(shí)別并使3個(gè)13堿基串聯(lián)重復(fù)區(qū)

5、DNA形成開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)；c. DnaB蛋白在DnaC的幫助下與未解鏈序列結(jié)合。每六個(gè)DnaB蛋白形成一組并與一條DNA母鏈結(jié)合，可在不同方向同時(shí)起始DNA的復(fù)制。當(dāng)細(xì)胞中存在足夠的SSB和DNA gyrase時(shí)，DnaB的解鏈效率非常高。 整個(gè)DNA復(fù)制過(guò)程中，只有復(fù)制起始受細(xì)胞周期的嚴(yán)格調(diào)控。 Once in each cell cycle。 DNA甲基化與DNA復(fù)制起始密切相關(guān)。OriC中有11個(gè)GATC回文結(jié)構(gòu)一般說(shuō)來(lái)，256bp才應(yīng)有一個(gè)GATC重復(fù)）。DNA子鏈被合成后，母鏈立即被甲基化稱為hemimethylated）。此時(shí)，oriC與細(xì)胞原生質(zhì)膜相結(jié)合。只有當(dāng)oriC被從膜上釋放出來(lái)

6、，子鏈被Dam甲基化后，才能有效地與DnaA蛋白結(jié)合，起始新一輪的DNA復(fù)制。復(fù)制起始可能還受ATP水解過(guò)程調(diào)控，因?yàn)镈naA只有與ATP相結(jié)合時(shí)才能與oriC區(qū)DNA相結(jié)合。 2. DNA子鏈的延伸 主要包括兩個(gè)不同但相互有聯(lián)系的事件，即前導(dǎo)鏈和滯后鏈的合成。由DNA helicase解開(kāi)雙螺旋，由拓樸異構(gòu)酶消除DNA鏈上的扭曲力，SSB結(jié)合使DNA單鏈穩(wěn)定。 前導(dǎo)鏈的合成：由DnaGprimase在復(fù)制起始位點(diǎn)附近合成一個(gè)10-60 nt的RNA引物，然后由polII把dNTP加到該引物上。 滯后鏈的合成：產(chǎn)生Okazaki fragments，消除RNA引物并由DNA pol I補(bǔ)上這一

7、小段DNA序列，由DNA Ligase把兩個(gè)片段相連。3. DNA鏈的終止 當(dāng)子鏈延伸達(dá)到terminus regionter，帶有多個(gè)20bp序列時(shí)，DNA復(fù)制就終止了。Ter有點(diǎn)像一個(gè)陷井trap），使復(fù)制叉只能進(jìn)入，不能出來(lái)。Ter的功能主要是由Ter-Tus復(fù)合物ter utilization substance來(lái)完成的。4. 真核細(xì)胞DNA的復(fù)制比大腸桿菌更復(fù)雜 真核生物的origin of replication被稱為ARS-autonomously replicating sequences或者被稱為replicators。Yeast replicators長(zhǎng)約150dp，有多個(gè)

8、保守重復(fù)區(qū)，共有約500個(gè)replicators分布于酵母的17條染色體中。、DNA的損傷修復(fù)的損傷修復(fù) 1 錯(cuò)配修復(fù)mismatch Repair） 錯(cuò)配修復(fù)對(duì)DNA復(fù)制忠實(shí)性的貢獻(xiàn)力達(dá)102-103，DNA子鏈中的錯(cuò)配幾乎完全都被修正，充分反映了母鏈的重要性。2. 堿基切除修復(fù)Base-Excision Repair） DNA gylcosylases能特異性識(shí)別常見(jiàn)的DNA損傷如胞嘧啶或腺嘌呤去氨?；a(chǎn)物并將受損害堿基切除。去掉堿基后的核苷酸被稱為AP位點(diǎn)apurinic or apyrimidinic）。細(xì)胞中最常見(jiàn)的Uracil Glycosylase就能特異性切除細(xì)胞中的去氨基胞嘧

9、啶。3. 核苷酸切除修復(fù)nucleotide-excision repair） 當(dāng)DNA鏈上相應(yīng)位置的核苷酸發(fā)生損傷，導(dǎo)致雙鏈之間無(wú)法形成氫鍵，由核苷酸切除修復(fù)系統(tǒng)負(fù)責(zé)進(jìn)行修復(fù)。4.DNA的直接修復(fù)Direct repair） 、DNA的轉(zhuǎn)座的轉(zhuǎn)座 DNA的轉(zhuǎn)座，或稱移位transposition），是由可移位因子transposable element介導(dǎo)的遺傳物質(zhì)重排現(xiàn)象。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)座這一命名并不十分準(zhǔn)確，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)座過(guò)程中，可移位因子的一個(gè)拷貝常常留在原來(lái)位置上，在新位點(diǎn)上出現(xiàn)的僅僅是拷貝。因此，轉(zhuǎn)座有別于同源重組，它依賴于DNA的復(fù)制。 a. 簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)座子 轉(zhuǎn)座子transposon，Tn

10、是存在于染色體DNA上可自主復(fù)制和移位的基本單位。 最簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)座子不含有任何宿主基因而常被稱為插入序列insertion sequence，IS），它們是細(xì)菌染色體或質(zhì)粒DNA的正常組成部分。一個(gè)細(xì)菌細(xì)胞常帶有少于10個(gè)IS序列。轉(zhuǎn)座子常常被定位到特定的基因中，造成該基因突變。IS序列都是可以獨(dú)立存在的單元，帶有介導(dǎo)自身移動(dòng)的蛋白。 b.復(fù)合式轉(zhuǎn)座子composite transposon是一類帶有某些抗藥性基因或其他宿主基因的轉(zhuǎn)座子，其兩翼往往是兩個(gè)相同或高度同源的IS序列，表明IS序列插入到某個(gè)功能基因兩端時(shí)就可能產(chǎn)生復(fù)合轉(zhuǎn)座子。一旦形成復(fù)合轉(zhuǎn)座子，IS序列就不能再單獨(dú)移動(dòng)，因?yàn)樗鼈兊墓δ?/p>

11、被修飾了，只能作為復(fù)合體移動(dòng)。2、轉(zhuǎn)座作用的機(jī)制 轉(zhuǎn)座時(shí)發(fā)生的插入作用有一個(gè)普遍的特征，那就是受體分子中有一段很短的3-12bp）、被稱為靶序列的DNA會(huì)被復(fù)制，使插入的轉(zhuǎn)座子位于兩個(gè)重復(fù)的靶序列之間。不同轉(zhuǎn)座子的靶序列長(zhǎng)度不同，但對(duì)于一個(gè)特定的轉(zhuǎn)座子來(lái)說(shuō)，它所復(fù)制的靶序列長(zhǎng)度都是一樣的，如IS1兩翼總有9個(gè)堿基對(duì)的靶序列，而Tn3兩端總有5bp的靶序列。 轉(zhuǎn)座可被分為復(fù)制性和非復(fù)制性兩大類。在復(fù)制性轉(zhuǎn)座中，所移動(dòng)和轉(zhuǎn)位的是原轉(zhuǎn)座子的拷貝。轉(zhuǎn)座酶transposase和解離酶resolvase分別作用于原始轉(zhuǎn)座子和復(fù)制轉(zhuǎn)座子。TnA類轉(zhuǎn)座主要是這種形式。在非復(fù)制性轉(zhuǎn)座中，原始轉(zhuǎn)座子作為一個(gè)可移

12、動(dòng)的實(shí)體直接被移位，IS序列、Mu及Tn5等都以這種方式進(jìn)行轉(zhuǎn)座。3.轉(zhuǎn)座作用的遺傳學(xué)效應(yīng) 轉(zhuǎn)座引起插入突變; 轉(zhuǎn)座產(chǎn)生新的基因; 轉(zhuǎn)座產(chǎn)生的染色體畸變; 轉(zhuǎn)座引起的生物進(jìn)化.RNA代謝代謝 除了某些RNA病毒之外，所有RNA分子都來(lái)自于DNA。基因組DNA通過(guò)一個(gè)被稱為轉(zhuǎn)錄的過(guò)程把貯存在雙鏈DNA分子中的遺傳信息轉(zhuǎn)換到與模板DNA鏈相互補(bǔ)的RNA單鏈上。 mRNA，編碼了一個(gè)或多個(gè)蛋白質(zhì)序列； tRNA，把mRNA上的遺傳信息變?yōu)槎嚯闹械?氨基酸信息； rRNA，是合成蛋白質(zhì)的工廠核糖體中的主要成份。 原核DNA轉(zhuǎn)錄注：(需要軟件支持) 轉(zhuǎn)錄 1 依賴于DNA的RNA合成 從DNA合成反應(yīng)的

13、化學(xué)本質(zhì)、極性和模板的使用這三方面來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)錄與復(fù)制是相同的。但是，也存在三個(gè)主要不同點(diǎn)： A 轉(zhuǎn)錄中不需要RNA引物； B轉(zhuǎn)錄反應(yīng)一般只用一小段DNA做模板； C在轉(zhuǎn)錄區(qū)，一般都只有一條DNA鏈可以作為模板。 2.RNA合成的終止 一旦RNA聚合酶啟動(dòng)了基因轉(zhuǎn)錄，它就會(huì)沿著模板53方向不停地移動(dòng)，合成RNA鏈，直到遇到終止信號(hào)時(shí)才釋放新生的RNA鏈，并與模板DNA脫離。 研究RNA鏈終止時(shí)遇到最常見(jiàn)的問(wèn)題是3端核苷酸的定位，因?yàn)榛罴?xì)胞內(nèi)部根據(jù)終止信號(hào)正確終止的RNA與一個(gè)經(jīng)過(guò)剪接的RNA在3端沒(méi)有兩樣，都是-OH基團(tuán)。模板DNA上都有終止轉(zhuǎn)錄的特殊信號(hào)-終止子，每個(gè)基因或操縱子都有一個(gè)啟動(dòng)子，

14、一個(gè)終止子。在新生RNA中出現(xiàn)發(fā)卡式結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致RNA聚合酶的暫停，破壞RNA-DNA雜合鏈5端的正常結(jié)構(gòu)。寡聚U的存在使雜合鏈的3端部分出現(xiàn)不穩(wěn)定的rUdA區(qū)域。 a. 依賴于因子的終止 因子是一個(gè)相對(duì)分子質(zhì)量為2.0105的六聚體蛋白，它能水解各種核苷三磷酸，實(shí)際上是一種NTP酶。由于催化了NTP的水解，因子能促使新生的RNA鏈從三元轉(zhuǎn)錄復(fù)合物中解離出來(lái)，從而終止轉(zhuǎn)錄。 有人認(rèn)為，在RNA合成起始以后，因子即附著在新生的RNA鏈上，靠ATP水解產(chǎn)生的能量，沿著53方向朝RNA聚合酶移動(dòng)，到達(dá)RNA的3-OH端后取代了暫停在終止位點(diǎn)上的RNA聚合酶，并從模板和酶上釋放RNA，完成轉(zhuǎn)錄過(guò)程。終止

15、過(guò)程需要消耗能量，所以，因子具有終止轉(zhuǎn)錄和核苷三磷酸酶兩種功能。 b、不依賴于 因子的終止 若終止點(diǎn)上游存在一個(gè)富含GC堿基的二重對(duì)稱區(qū)，由這段DNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的RNA容易形成發(fā)卡式結(jié)構(gòu)；在終止點(diǎn)前面有一段由4-8個(gè)A組成的序列，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的3端為寡聚U。這兩種結(jié)構(gòu)特征的存在同樣決定了轉(zhuǎn)錄的終止。 在新生RNA中出現(xiàn)發(fā)卡式結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致RNA聚合酶的暫停，破壞RNA-DNA雜合鏈5端的正常結(jié)構(gòu)。寡聚U的存在使雜合鏈的3端部分出現(xiàn)不穩(wěn)定的rUdA區(qū)域。 3.RNA聚合酶II及轉(zhuǎn)錄因子在啟動(dòng)子上的裝配 TFH還參與DNA的損傷修復(fù)。當(dāng)RNA pol轉(zhuǎn)錄過(guò)程中碰到受損傷的核苷酸時(shí)，TFH能及時(shí)啟動(dòng)核苷酸切除修復(fù)系統(tǒng)，將損傷修復(fù)。Actinomycin D和Acridine阻斷RNA鏈的延伸3.RNA的加工成熟 所以，RNA加工成熟主要包括：5加帽子結(jié)構(gòu)