DNA復(fù)制和RNA轉(zhuǎn)錄-課件

DNA的復(fù)制和RNA的轉(zhuǎn)錄1DNA的復(fù)制和RNA的轉(zhuǎn)錄1

§1

DNA生物合成的種類和方式DNA指導(dǎo)下的DNA復(fù)制RNA指導(dǎo)下的DNA復(fù)制DNA復(fù)制的忠實(shí)性2§1DNA生物合成的種類和方式DNA指導(dǎo)下的DNA復(fù)分子遺傳的中心法則

DNA是遺傳信息的儲存和發(fā)布者，它在如圖的聯(lián)系中處于中心地位3分子遺傳的中心法則3復(fù)制：以親代DNA或RNA為模板，根據(jù)堿基配對的原則，在一系列酶的作用下，生成與親代相同的子代DNA或RNA的過程。轉(zhuǎn)錄：以DNA為模板，按照堿基配對原則合成RNA，即將DNA所含的遺傳信息傳給RNA，形成一條與DNA鏈互補(bǔ)的RNA的過程翻譯：亦叫轉(zhuǎn)譯，以mRNA為模板，將mRNA的密碼解讀成蛋白質(zhì)的氨基酸順序的過程逆轉(zhuǎn)錄：以RNA為模板，在逆轉(zhuǎn)錄酶的作用下，生成DNA的過程中心法則的幾個基本概念

4復(fù)制：以親代DNA或RNA為模板，根據(jù)堿基配對的原轉(zhuǎn)錄§1.1.1DNA復(fù)制的特點(diǎn)半保留復(fù)制半不連續(xù)復(fù)制§1.1

DNA指導(dǎo)下的DNA復(fù)制5§1.1.1DNA復(fù)制的特點(diǎn)半保留復(fù)制§1.1D半保留復(fù)制

以親代DNA雙鏈為模板，按照堿基互補(bǔ)方式合成子代DNA，這樣新形成的子代DNA中，一條鏈來自親代DNA，而另一條鏈則是新合成的，這種復(fù)制方式叫半保留復(fù)制

6半保留復(fù)制6半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)依據(jù)

1953年,Watson和Crick提出DNA的半保留復(fù)制機(jī)制

1958年,Meselson和Stahl將同位素15N標(biāo)記的15NH4Cl加入大腸桿菌的培養(yǎng)基中培養(yǎng)12代，使大腸桿菌的DNA都帶上15N的標(biāo)記，然后將該大腸桿菌轉(zhuǎn)入14N的普通培養(yǎng)基中培養(yǎng)后，分離子一代、子二代、子三代、子四代DNA，進(jìn)行氯化銫密度梯度離心，實(shí)驗(yàn)證明了DNA的半保留復(fù)制7半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)依據(jù)半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)依據(jù)

8半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)依據(jù)

DNA復(fù)制的起點(diǎn)和方向9DNA復(fù)制的起點(diǎn)和方向9兩個起點(diǎn)，兩個生長端的相向復(fù)制

DNA每條鏈有1個復(fù)制起點(diǎn)，分別合成1條新DNA，兩條新鏈相向合成，每個生長點(diǎn)只有1條鏈合成，這種方式存在于線性DNA病毒1個起點(diǎn)，1個復(fù)制區(qū)的單向復(fù)制

DNA兩條鏈的復(fù)制起始點(diǎn)在同一位置，復(fù)制向一個方向運(yùn)動，兩條DNA鏈均被復(fù)制，這種方式偶見于一些環(huán)形DNA的復(fù)制1個起點(diǎn)，兩個復(fù)制區(qū)的雙向復(fù)制

這種DNA復(fù)制方式最為普遍，復(fù)制起始于1個位點(diǎn)，形成兩個復(fù)制區(qū)向相反方向運(yùn)動，在每個復(fù)制區(qū)兩條DNA鏈均被復(fù)制

DNA復(fù)制的起點(diǎn)和方向10兩個起點(diǎn)，兩個生長端的相向復(fù)制DNA復(fù)制的起點(diǎn)和方向1DNA復(fù)制的起點(diǎn)和方向11DNA復(fù)制的起點(diǎn)和方向11半不連續(xù)復(fù)制

DNA雙螺旋的兩條鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械模铣煞较蛑荒苁?‘3’。所以在DNA復(fù)制時，1條鏈的合成方向和復(fù)制叉的前進(jìn)方向相同，可連續(xù)復(fù)制，稱為前導(dǎo)鏈；而另一條鏈的合成方向和復(fù)制叉的前進(jìn)方向正好相反，不能連續(xù)復(fù)制，只能分成幾個片段合成，稱為滯后鏈。滯后鏈的片段叫作岡崎片段(~1000b)，它們合成后再連接起來（前導(dǎo)鏈）（滯后鏈）岡崎片斷12半不連續(xù)復(fù)制（前導(dǎo)鏈）（滯后鏈）岡崎片斷12§1.1.2

DNA復(fù)制的酶系13§1.1.2DNA復(fù)制的酶系13拓?fù)洚悩?gòu)酶解開超螺旋14拓?fù)洚悩?gòu)酶解開超螺旋14拓?fù)洚悩?gòu)酶解開超螺旋DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶催化的反應(yīng)本質(zhì)是先切斷DNA的磷酸二酯鍵，改變DNA的鏈環(huán)數(shù)之后再連接之，兼具DNA內(nèi)切酶和DNA連接酶的功能其斷裂反應(yīng)與連接反應(yīng)是相互偶聯(lián)的，不能連接事先已經(jīng)存在的斷裂DNA15拓?fù)洚悩?gòu)酶解開超螺旋DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶催化的反應(yīng)本質(zhì)是先切斷解鏈酶和SSB的作用16解鏈酶和SSB的作用16引物酶合成RNA引物17引物酶合成RNA引物17DNA聚合酶延長子鏈18DNA聚合酶延長子鏈18原核細(xì)胞DNA聚合酶19原核細(xì)胞DNA聚合酶19連接酶連接2個岡崎片斷20連接酶連接2個岡崎片斷20連接酶連接2個片斷的三步反應(yīng)21連接酶連接2個片斷的三步反應(yīng)21DNA復(fù)制酶系總覽22DNA復(fù)制酶系總覽22§1.1.3

DNA的復(fù)制過程23§1.1.3DNA的復(fù)制過程23解旋：由拓?fù)洚悩?gòu)酶解除DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)解鏈：由解鏈酶使雙鏈DNA解開再由單鏈結(jié)合蛋白與單鏈結(jié)合，防止氫鍵再形成識別起點(diǎn)：由DNA指導(dǎo)的RNA聚合酶即引物酶完成生成引物：以DNA為模板在引物酶催化下由DNA轉(zhuǎn)錄成DNA的生成：在RNA引物3末端上按堿基互補(bǔ)原則經(jīng)DNA聚合酶III催化生成，其3末端與下一個RNA引物5末端相連DNA的合成步驟

24解旋：由拓?fù)洚悩?gòu)酶解除DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)DNA的合成步驟切除引物：由DNA聚合酶I催化切除引物，剩下的DNA片段即岡崎片段補(bǔ)齊封口：DNA聚合酶I利用其DNA聚合酶活性按堿基互補(bǔ)原則沿5—3方向填補(bǔ)兩個岡崎片段之間的缺口。其3末端羥基與下一個DNA片段5末端相連磷酸基，在DNA連結(jié)酶催化下形成磷酸二酯鍵而被連結(jié)起來，最終形成DNA模板鏈的完整新的互補(bǔ)鏈，此部由NAD+供能25切除引物：由DNA聚合酶I催化切除引物，25DNA合成的起始與延伸26DNA合成的起始與延伸26引物的切除，缺口填補(bǔ)，切口連接27引物的切除，缺口填補(bǔ)，切口連接27真核細(xì)胞與原核細(xì)胞DNA的復(fù)制區(qū)別RNA引物和岡崎片段較小復(fù)制速度較慢，這可能與組蛋白的存在使DNA處于穩(wěn)定的雙股狀態(tài)有關(guān)復(fù)制有多個起點(diǎn)

DNA聚合酶為α，β，γ以及線粒體聚合酶。它們僅能催化聚合作用，而沒有原核細(xì)胞DNA聚合酶所有的外切酶作用DNA片段的連結(jié)由ATP供能真核細(xì)胞DNA的合成

28真核細(xì)胞與原核細(xì)胞DNA的復(fù)制區(qū)別真核細(xì)胞DNA的合成真核細(xì)胞DNA聚合酶29真核細(xì)胞DNA聚合酶29"fortheirdiscoveryofthemechanismsinthebiologicalsynthesisofribonucleicacidanddeoxyribonucleicacid"ArthurKornberg

StanfordUniversityStanford,CA,USA1918-

SeveroOchoa

NewYorkUniversity,CollegeofMedicneNewYork,NY,USA1905-199330"fortheirdiscoveryoftheme§1.2RNA指導(dǎo)下的DNA復(fù)制(逆轉(zhuǎn)錄)31§1.2RNA指導(dǎo)下的DNA復(fù)制(逆轉(zhuǎn)錄)31RNA指導(dǎo)下的DNA復(fù)制(逆轉(zhuǎn)錄)以RNA指導(dǎo)的DNA聚合酶催化合成DNA是以dNTP為原料及能源物質(zhì)，以病毒單鏈RNA為模板，RNA為引物反應(yīng)時模板與引物以氫鍵相連，在引物3羥基末端開始以5—3方向進(jìn)行DNA的聚合、延伸。合成的DNA以共價鍵相連，形成DNA-RNA雜合體。在DNA指導(dǎo)的DNA聚合酶催化下以雜合體中的DNA為模板合成一條DNA互補(bǔ)鏈，形成新的DNA分子逆轉(zhuǎn)錄酶是一種多功能酶

具有合成RNA、合成DNA、水解RNA的能力32RNA指導(dǎo)下的DNA復(fù)制(逆轉(zhuǎn)錄)以RNA指導(dǎo)的DNA聚依賴RNA的DNA聚合酶核糖核酸酶H活力依賴DNA的DNA聚合酶RNA指導(dǎo)下的DNA復(fù)制(逆轉(zhuǎn)錄)33依賴RNA的DNA聚合酶核糖核酸酶H活力依賴DNA的DNA聚

DavidBaltimoreMassachusettsInstituteofTechnology(MIT)Cambridge,MA,USA1938-

RenatoDulbeccoImperialCancerResearchFundLaboratory,London,UK1914-HowardMartinTeminUniversityofWisconsinMadison,WI,USA1934-1994"fortheirdiscoveriesconcerningtheinteractionbetweentumourvirusesandthegeneticmaterialofthecell"34DavidBaltimoreRenatoDu§1.3

DNA復(fù)制的忠實(shí)性

DNA復(fù)制具有高度精確性，在大腸桿菌的細(xì)胞DNA復(fù)制中其錯誤率約為1/109～1/1010，即每109～1010個核苷酸才出現(xiàn)一個錯誤。這么高的精確性的保證主要與下列因素有關(guān)：堿基的配對規(guī)律：模板鏈與新生鏈之間的堿基配對保證堿基配錯幾率約為1/104～1/105DNA聚合酶的3→5外切酶活性的校對功能，使堿基的錯配幾率又降低100～1000倍DNA的損傷修復(fù)系統(tǒng)(錯配修復(fù)、直接修復(fù)、切除修復(fù)、重組修復(fù)、易錯修復(fù))35§1.3DNA復(fù)制的忠實(shí)性DNA復(fù)制具有高度精確性DNA聚合酶的的自我校正

DNA聚合酶不能從頭合成DNA，即不能把兩個dNTP連接起來，而只能將一個個核苷酸單位加到形成堿基配對的引物鏈3’羥基上，如果引物鏈3‘羥基出現(xiàn)了和模板鏈錯配的堿基，DNA聚合酶就會立即停止前進(jìn)，并利用35核酸外切酶活性將錯配的核苷酸從引物3端切除，只有引物3端重新出現(xiàn)堿基配對時才繼續(xù)合成DNA。所以在合成DNA之前必須有正確的堿基配對存在于3端，即DNA聚合酶必須利用RNA引物鏈來檢驗(yàn)3端的堿基配對正確與否，在確認(rèn)無誤后才開始合成36DNA聚合酶的的自我校正36錯配校正系統(tǒng)

錯配校正系統(tǒng)能發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋因非互補(bǔ)堿基對間的不對稱而產(chǎn)生的變形，它能區(qū)分和切除存在于新合成的DNA中錯配的核苷酸。E.coli的錯配校正系統(tǒng)利用dam基因編碼的甲基化酶將DNA堿基序列(GATC)中的A在N6位甲基化，但新合成的A要晚一些才被甲基化，這使堿基序列只是在剛合成的新DNA鏈中還沒有被甲基化，這就能區(qū)別新DNA鏈和模板鏈

參與錯配修復(fù)的酶與蛋白質(zhì)：

Dam甲基化酶;MutH、MutL、MutS蛋白;解螺旋酶Ⅱ;DNA聚合酶Ⅲ;外切酶Ⅰ、Ⅹ、Ⅶ；RecJ核酸酶DNA連接酶；SSB37錯配校正系統(tǒng)參與錯配修復(fù)的酶與蛋白質(zhì)：37錯配校正示意圖38錯配校正示意圖38§2

RNA生物合成的種類和方式DNA指導(dǎo)的RNA合成(轉(zhuǎn)錄)RNA指導(dǎo)的RNA合成(RNA復(fù)制)

在生物界，RNA合成有兩種方式：一是DNA指導(dǎo)的RNA合成，此為生物體內(nèi)的主要合成方式。另一種是RNA指導(dǎo)的RNA合成，此種方式常見于病毒39§2RNA生物合成的種類和方式DNA指導(dǎo)的RNA合§2.1

DNA指導(dǎo)的RNA生物合成(轉(zhuǎn)錄)原核細(xì)胞RNA的生物合成2.真核細(xì)胞RNA的生物合成3.轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工40§2.1DNA指導(dǎo)的RNA生物合成(轉(zhuǎn)錄)原核細(xì)胞RNA§2.1.1

原核細(xì)胞RNA的生物合成

1960年，RNA聚合酶被發(fā)現(xiàn)。在E.coli中，RNA聚合酶催化RNA的合成需要：模板：雙鏈或單鏈DNA活性單體物質(zhì)：四種NTP二價金屬離子：Mg2+或Mn2+，在生物體中(invivo)發(fā)現(xiàn)的是Mg2+合成方向：5341§2.1.1原核細(xì)胞RNA的生物合成1960年轉(zhuǎn)錄不需要引物只轉(zhuǎn)錄DNA分子中的一個片段(稱為操縱子operon)雙鏈DNA中只有一條鏈具有轉(zhuǎn)錄活性(稱為模板鏈)

RNA聚合酶無校對功能RNA的合成與DNA合成的不同42轉(zhuǎn)錄不需要引物RNA的合成與DNA合成的不同42復(fù)制和與轉(zhuǎn)錄的區(qū)別43復(fù)制和與轉(zhuǎn)錄的區(qū)別43DNA的有義鏈和反義鏈啟動子(promoter)

終止子(terminator)模板鏈（templattestrand）反義鏈(antisensestrand)有義鏈(sensestrand)非信息區(qū)DNA5′5′3′3′

模板鏈：雙鏈DNA中具有轉(zhuǎn)錄活性的的鏈稱為模板鏈，又稱反義鏈(或負(fù)鏈，Watson鏈)

編碼鏈：雙鏈DNA中無轉(zhuǎn)錄活性的鏈稱為編碼鏈，又稱有義鏈(或正鏈，Crick鏈)44DNA的有義鏈和反義鏈啟動子(promoter)DNA的有義鏈和反義鏈45DNA的有義鏈和反義鏈45E.Coli中的RNA聚合酶46E.Coli中的RNA聚合酶46E.Coli中的RNA聚合酶(亞基：轉(zhuǎn)錄的啟動子識別)47E.Coli中的RNA聚合酶(亞基：轉(zhuǎn)錄的啟動子識別)47真核生物中的RNA聚合酶48真核生物中的RNA聚合酶48啟動子和轉(zhuǎn)錄因子49啟動子和轉(zhuǎn)錄因子49終止子和終止因子50終止子和終止因子50RNA轉(zhuǎn)錄的終止轉(zhuǎn)錄終止信號有兩種：簡單終止子(不依賴ρ因子)：

(1)能形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)(2)在終止點(diǎn)之前具有一系列U核苷酸(連續(xù)6個)；回文對稱區(qū)通常有一段富含GC序列依賴ρ因子的終止子：

回文結(jié)構(gòu)區(qū)不含富有GC區(qū)，回文結(jié)構(gòu)之后也無寡聚U51RNA轉(zhuǎn)錄的終止轉(zhuǎn)錄終止信號有兩種：51不對稱轉(zhuǎn)錄52不對稱轉(zhuǎn)錄52轉(zhuǎn)錄時DNA雙鏈局部解開53轉(zhuǎn)錄時DNA雙鏈局部解開53RNA轉(zhuǎn)錄過程RNA轉(zhuǎn)錄由識別、起始、延伸、終止四個階段組成識別:RNA聚合酶在σ亞基的引導(dǎo)下結(jié)合于啟動子；DNA雙鏈局部解開，形成轉(zhuǎn)錄泡；

起始：在模板鏈上通過堿基配對合成最初RNA鏈延伸：σ亞基脫離，核心酶沿著DNA鏈由3→5的方向移動，轉(zhuǎn)錄區(qū)間的DNA雙鏈解螺旋，而轉(zhuǎn)錄完的區(qū)間DNA又恢復(fù)雙螺旋結(jié)構(gòu)終止：核心酶到達(dá)終止子，RNA與核心酶從DNA上脫落54RNA轉(zhuǎn)錄過程RNA轉(zhuǎn)錄由識別、起始、延伸、終止RNA轉(zhuǎn)錄的起始55RNA轉(zhuǎn)錄的起始55解螺旋恢復(fù)螺旋轉(zhuǎn)錄泡模板鏈編碼鏈RNA聚合酶作用示意圖56解螺旋恢復(fù)螺旋轉(zhuǎn)錄泡模板鏈編碼鏈RNA聚合酶作用示意圖56RNA轉(zhuǎn)錄的延伸57RNA轉(zhuǎn)錄的延伸57§2.1.2真核細(xì)胞RNA的生物合成

真核生物的RNA聚合酶主要分布于細(xì)胞核內(nèi)，RNA合成也就主要發(fā)生在細(xì)胞核中酶類分布產(chǎn)物α-鵝膏蕈堿對酶的影響分子量(KDa)反應(yīng)條件ⅠⅡⅢ核仁核質(zhì)核質(zhì)rRNA（5.8S、18S、28S）mRNAtRNA、5SrRNA不抑制低濃度抑制高濃度抑制500～700～700低離子強(qiáng)度要求Mg2+或Mn2+高離子強(qiáng)度高M(jìn)n2+濃度58§2.1.2真核細(xì)胞RNA的生物合成真核生物的RNA"forhisstudiesofthemolecularbasisofeukaryotictranscription"RogerD.Kornberg

StanfordUniversity,CA,USA1947-59"forhisstudiesofthemolecu羅杰科恩伯格(右)接受父親阿瑟科恩伯格(左)的祝賀幼年時的羅杰科恩伯格(左一)和家人在一起60羅杰科恩伯格(右)接受父親阿瑟科恩伯格(左)的

羅杰科恩伯格的貢獻(xiàn)闡明了真核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄的具體機(jī)理61羅杰科恩伯格的貢獻(xiàn)闡明了真核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄的具體機(jī)理6§2.1.3

RNA的轉(zhuǎn)錄后加工62§2.1.3RNA的轉(zhuǎn)錄后加工62原核生物的rRNA加工63原核生物的rRNA加工63原核生物的tRNA加工真核生物的tRNA加工與E.Coli相似64原核生物的tRNA加工真核生物的tRNA加工與E.Col原核生物的mRNA加工65原核生物的mRNA加工65真核生物的rRNA加工66真核生物的rRNA加工66真核生物的mRNA加工67真核生物的mRNA加工67真核mRNA的5’-加帽68真核mRNA的5’-加帽68真核mRNA的3’-加尾69真核mRNA的3’-加尾69真核mRNA的剪輯(真核生物的結(jié)構(gòu)基因通常是斷裂的)70真核mRNA的剪輯(真核生物的結(jié)構(gòu)基因通常是斷裂的)70"fortheirdiscoveriesofsplitgenes"

RichardJ.Roberts

UnitedKingdomNewEnglandBiolabsBeverly,MA,USA1943-

PhillipA.Sharp

MassachusettsInstituteofTechnology(MIT)Cambridge,MA,USA1944-71"fortheirdiscoveriesofspl真核mRNA的剪輯(切除內(nèi)含子與拼接外顯子)72真核mRNA的剪輯(切除內(nèi)含子與拼接外顯子)72§2.2

RNA指導(dǎo)的RNA合成

(RNA復(fù)制)概念：RNA病毒以自身RNA為模板合成與自身RNA完全相同RNA分子的過程稱為RNA的復(fù)制兩個階段:（1）病毒RNA可充當(dāng)mRNA，利用寄主中的核糖體合成外殼蛋白和復(fù)制酶的β亞基（2）復(fù)制酶的β亞基與來自宿主細(xì)胞的亞基αδ自動裝配成RNA復(fù)制酶，進(jìn)行RNA復(fù)制，通常以分子中單鏈RNA為模板(正鏈)，復(fù)制出一條新的RNA鏈(負(fù)鏈)，然后以負(fù)鏈為模板復(fù)制出大量正鏈，再與外殼蛋白組裝成新的病毒顆粒73§2.2RNA指導(dǎo)的RNA合成

RNA復(fù)制酶的催化性質(zhì)

以四種NTP為底物；專一性地選擇病毒RNA為模板；按5’→3’的方向合成病毒RNA；無外切酶活性（即無校對功能）74RNA復(fù)制酶的催化性質(zhì)以四種NTP為底物；74病毒RNA的復(fù)制方式1、病毒含正鏈RNA：進(jìn)入宿主細(xì)胞后先進(jìn)行病毒RNA復(fù)制酶和有關(guān)病毒蛋白質(zhì)的合成（借助于宿主細(xì)胞的蛋白質(zhì)合成體系），然后進(jìn)行RNA的復(fù)制，再裝配病毒顆粒,如：噬菌體Qβ和灰質(zhì)炎病毒2、病毒含負(fù)鏈RNA和復(fù)制酶：這類病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞后，先進(jìn)行RNA的復(fù)制合成正鏈RNA，再以正鏈RNA為模板合成病毒蛋白質(zhì)RNA，然后裝配病毒顆粒,如：狂犬病病毒、馬水苞性口炎病毒3、病毒含雙鏈RNA和復(fù)制酶：這類病毒進(jìn)入宿主細(xì)胞后，以雙鏈RNA為模板，通過不對稱復(fù)制產(chǎn)生正鏈RNA，并以正鏈RNA為模板合成病毒蛋白質(zhì)，然后再合成負(fù)鏈RNA并形成雙鏈RNA，再裝配病毒顆粒,如:呼腸病毒75病毒RNA的復(fù)制方式1、病毒含正鏈RNA：進(jìn)入宿主細(xì)胞后先進(jìn)作業(yè)題名詞解釋：復(fù)制，轉(zhuǎn)錄，翻譯,逆轉(zhuǎn)錄，模板鏈，編碼鏈簡答題：什么是DNA的半保留復(fù)制和半不連續(xù)復(fù)制機(jī)制簡述DNA復(fù)制中各種酶的作用比較DNA復(fù)制和RNA轉(zhuǎn)錄的區(qū)別76作業(yè)題名詞解釋：76DNA的復(fù)制和RNA的轉(zhuǎn)錄77DNA的復(fù)制和RNA的轉(zhuǎn)錄1

§1

DNA生物合成的種類和方式DNA指導(dǎo)下的DNA復(fù)制RNA指導(dǎo)下的DNA復(fù)制DNA復(fù)制的忠實(shí)性78§1DNA生物合成的種類和方式DNA指導(dǎo)下的DNA復(fù)分子遺傳的中心法則

DNA是遺傳信息的儲存和發(fā)布者，它在如圖的聯(lián)系中處于中心地位79分子遺傳的中心法則3復(fù)制：以親代DNA或RNA為模板，根據(jù)堿基配對的原則，在一系列酶的作用下，生成與親代相同的子代DNA或RNA的過程。轉(zhuǎn)錄：以DNA為模板，按照堿基配對原則合成RNA，即將DNA所含的遺傳信息傳給RNA，形成一條與DNA鏈互補(bǔ)的RNA的過程翻譯：亦叫轉(zhuǎn)譯，以mRNA為模板，將mRNA的密碼解讀成蛋白質(zhì)的氨基酸順序的過程逆轉(zhuǎn)錄：以RNA為模板，在逆轉(zhuǎn)錄酶的作用下，生成DNA的過程中心法則的幾個基本概念

80復(fù)制：以親代DNA或RNA為模板，根據(jù)堿基配對的原轉(zhuǎn)錄§1.1.1DNA復(fù)制的特點(diǎn)半保留復(fù)制半不連續(xù)復(fù)制§1.1

DNA指導(dǎo)下的DNA復(fù)制81§1.1.1DNA復(fù)制的特點(diǎn)半保留復(fù)制§1.1D半保留復(fù)制

以親代DNA雙鏈為模板，按照堿基互補(bǔ)方式合成子代DNA，這樣新形成的子代DNA中，一條鏈來自親代DNA，而另一條鏈則是新合成的，這種復(fù)制方式叫半保留復(fù)制

82半保留復(fù)制6半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)依據(jù)

1953年,Watson和Crick提出DNA的半保留復(fù)制機(jī)制

1958年,Meselson和Stahl將同位素15N標(biāo)記的15NH4Cl加入大腸桿菌的培養(yǎng)基中培養(yǎng)12代，使大腸桿菌的DNA都帶上15N的標(biāo)記，然后將該大腸桿菌轉(zhuǎn)入14N的普通培養(yǎng)基中培養(yǎng)后，分離子一代、子二代、子三代、子四代DNA，進(jìn)行氯化銫密度梯度離心，實(shí)驗(yàn)證明了DNA的半保留復(fù)制83半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)依據(jù)半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)依據(jù)

84半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)依據(jù)

DNA復(fù)制的起點(diǎn)和方向85DNA復(fù)制的起點(diǎn)和方向9兩個起點(diǎn)，兩個生長端的相向復(fù)制

DNA每條鏈有1個復(fù)制起點(diǎn)，分別合成1條新DNA，兩條新鏈相向合成，每個生長點(diǎn)只有1條鏈合成，這種方式存在于線性DNA病毒1個起點(diǎn)，1個復(fù)制區(qū)的單向復(fù)制

DNA兩條鏈的復(fù)制起始點(diǎn)在同一位置，復(fù)制向一個方向運(yùn)動，兩條DNA鏈均被復(fù)制，這種方式偶見于一些環(huán)形DNA的復(fù)制1個起點(diǎn)，兩個復(fù)制區(qū)的雙向復(fù)制

這種DNA復(fù)制方式最為普遍，復(fù)制起始于1個位點(diǎn)，形成兩個復(fù)制區(qū)向相反方向運(yùn)動，在每個復(fù)制區(qū)兩條DNA鏈均被復(fù)制

DNA復(fù)制的起點(diǎn)和方向86兩個起點(diǎn)，兩個生長端的相向復(fù)制DNA復(fù)制的起點(diǎn)和方向1DNA復(fù)制的起點(diǎn)和方向87DNA復(fù)制的起點(diǎn)和方向11半不連續(xù)復(fù)制

DNA雙螺旋的兩條鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械?，而合成方向只能?‘3’。所以在DNA復(fù)制時，1條鏈的合成方向和復(fù)制叉的前進(jìn)方向相同，可連續(xù)復(fù)制，稱為前導(dǎo)鏈；而另一條鏈的合成方向和復(fù)制叉的前進(jìn)方向正好相反，不能連續(xù)復(fù)制，只能分成幾個片段合成，稱為滯后鏈。滯后鏈的片段叫作岡崎片段(~1000b)，它們合成后再連接起來（前導(dǎo)鏈）（滯后鏈）岡崎片斷88半不連續(xù)復(fù)制（前導(dǎo)鏈）（滯后鏈）岡崎片斷12§1.1.2

DNA復(fù)制的酶系89§1.1.2DNA復(fù)制的酶系13拓?fù)洚悩?gòu)酶解開超螺旋90拓?fù)洚悩?gòu)酶解開超螺旋14拓?fù)洚悩?gòu)酶解開超螺旋DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶催化的反應(yīng)本質(zhì)是先切斷DNA的磷酸二酯鍵，改變DNA的鏈環(huán)數(shù)之后再連接之，兼具DNA內(nèi)切酶和DNA連接酶的功能其斷裂反應(yīng)與連接反應(yīng)是相互偶聯(lián)的，不能連接事先已經(jīng)存在的斷裂DNA91拓?fù)洚悩?gòu)酶解開超螺旋DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶催化的反應(yīng)本質(zhì)是先切斷解鏈酶和SSB的作用92解鏈酶和SSB的作用16引物酶合成RNA引物93引物酶合成RNA引物17DNA聚合酶延長子鏈94DNA聚合酶延長子鏈18原核細(xì)胞DNA聚合酶95原核細(xì)胞DNA聚合酶19連接酶連接2個岡崎片斷96連接酶連接2個岡崎片斷20連接酶連接2個片斷的三步反應(yīng)97連接酶連接2個片斷的三步反應(yīng)21DNA復(fù)制酶系總覽98DNA復(fù)制酶系總覽22§1.1.3

DNA的復(fù)制過程99§1.1.3DNA的復(fù)制過程23解旋：由拓?fù)洚悩?gòu)酶解除DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)解鏈：由解鏈酶使雙鏈DNA解開再由單鏈結(jié)合蛋白與單鏈結(jié)合，防止氫鍵再形成識別起點(diǎn)：由DNA指導(dǎo)的RNA聚合酶即引物酶完成生成引物：以DNA為模板在引物酶催化下由DNA轉(zhuǎn)錄成DNA的生成：在RNA引物3末端上按堿基互補(bǔ)原則經(jīng)DNA聚合酶III催化生成，其3末端與下一個RNA引物5末端相連DNA的合成步驟

100解旋：由拓?fù)洚悩?gòu)酶解除DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)DNA的合成步驟切除引物：由DNA聚合酶I催化切除引物，剩下的DNA片段即岡崎片段補(bǔ)齊封口：DNA聚合酶I利用其DNA聚合酶活性按堿基互補(bǔ)原則沿5—3方向填補(bǔ)兩個岡崎片段之間的缺口。其3末端羥基與下一個DNA片段5末端相連磷酸基，在DNA連結(jié)酶催化下形成磷酸二酯鍵而被連結(jié)起來，最終形成DNA模板鏈的完整新的互補(bǔ)鏈，此部由NAD+供能101切除引物：由DNA聚合酶I催化切除引物，25DNA合成的起始與延伸102DNA合成的起始與延伸26引物的切除，缺口填補(bǔ)，切口連接103引物的切除，缺口填補(bǔ)，切口連接27真核細(xì)胞與原核細(xì)胞DNA的復(fù)制區(qū)別RNA引物和岡崎片段較小復(fù)制速度較慢，這可能與組蛋白的存在使DNA處于穩(wěn)定的雙股狀態(tài)有關(guān)復(fù)制有多個起點(diǎn)

DNA聚合酶為α，β，γ以及線粒體聚合酶。它們僅能催化聚合作用，而沒有原核細(xì)胞DNA聚合酶所有的外切酶作用DNA片段的連結(jié)由ATP供能真核細(xì)胞DNA的合成

104真核細(xì)胞與原核細(xì)胞DNA的復(fù)制區(qū)別真核細(xì)胞DNA的合成真核細(xì)胞DNA聚合酶105真核細(xì)胞DNA聚合酶29"fortheirdiscoveryofthemechanismsinthebiologicalsynthesisofribonucleicacidanddeoxyribonucleicacid"ArthurKornberg

StanfordUniversityStanford,CA,USA1918-

SeveroOchoa

NewYorkUniversity,CollegeofMedicneNewYork,NY,USA1905-1993106"fortheirdiscoveryoftheme§1.2RNA指導(dǎo)下的DNA復(fù)制(逆轉(zhuǎn)錄)107§1.2RNA指導(dǎo)下的DNA復(fù)制(逆轉(zhuǎn)錄)31RNA指導(dǎo)下的DNA復(fù)制(逆轉(zhuǎn)錄)以RNA指導(dǎo)的DNA聚合酶催化合成DNA是以dNTP為原料及能源物質(zhì)，以病毒單鏈RNA為模板，RNA為引物反應(yīng)時模板與引物以氫鍵相連，在引物3羥基末端開始以5—3方向進(jìn)行DNA的聚合、延伸。合成的DNA以共價鍵相連，形成DNA-RNA雜合體。在DNA指導(dǎo)的DNA聚合酶催化下以雜合體中的DNA為模板合成一條DNA互補(bǔ)鏈，形成新的DNA分子逆轉(zhuǎn)錄酶是一種多功能酶

具有合成RNA、合成DNA、水解RNA的能力108RNA指導(dǎo)下的DNA復(fù)制(逆轉(zhuǎn)錄)以RNA指導(dǎo)的DNA聚依賴RNA的DNA聚合酶核糖核酸酶H活力依賴DNA的DNA聚合酶RNA指導(dǎo)下的DNA復(fù)制(逆轉(zhuǎn)錄)109依賴RNA的DNA聚合酶核糖核酸酶H活力依賴DNA的DNA聚

DavidBaltimoreMassachusettsInstituteofTechnology(MIT)Cambridge,MA,USA1938-

RenatoDulbeccoImperialCancerResearchFundLaboratory,London,UK1914-HowardMartinTeminUniversityofWisconsinMadison,WI,USA1934-1994"fortheirdiscoveriesconcerningtheinteractionbetweentumourvirusesandthegeneticmaterialofthecell"110DavidBaltimoreRenatoDu§1.3

DNA復(fù)制的忠實(shí)性

DNA復(fù)制具有高度精確性，在大腸桿菌的細(xì)胞DNA復(fù)制中其錯誤率約為1/109～1/1010，即每109～1010個核苷酸才出現(xiàn)一個錯誤。這么高的精確性的保證主要與下列因素有關(guān)：堿基的配對規(guī)律：模板鏈與新生鏈之間的堿基配對保證堿基配錯幾率約為1/104～1/105DNA聚合酶的3→5外切酶活性的校對功能，使堿基的錯配幾率又降低100～1000倍DNA的損傷修復(fù)系統(tǒng)(錯配修復(fù)、直接修復(fù)、切除修復(fù)、重組修復(fù)、易錯修復(fù))111§1.3DNA復(fù)制的忠實(shí)性DNA復(fù)制具有高度精確性DNA聚合酶的的自我校正

DNA聚合酶不能從頭合成DNA，即不能把兩個dNTP連接起來，而只能將一個個核苷酸單位加到形成堿基配對的引物鏈3’羥基上，如果引物鏈3‘羥基出現(xiàn)了和模板鏈錯配的堿基，DNA聚合酶就會立即停止前進(jìn)，并利用35核酸外切酶活性將錯配的核苷酸從引物3端切除，只有引物3端重新出現(xiàn)堿基配對時才繼續(xù)合成DNA。所以在合成DNA之前必須有正確的堿基配對存在于3端，即DNA聚合酶必須利用RNA引物鏈來檢驗(yàn)3端的堿基配對正確與否，在確認(rèn)無誤后才開始合成112DNA聚合酶的的自我校正36錯配校正系統(tǒng)

錯配校正系統(tǒng)能發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋因非互補(bǔ)堿基對間的不對稱而產(chǎn)生的變形，它能區(qū)分和切除存在于新合成的DNA中錯配的核苷酸。E.coli的錯配校正系統(tǒng)利用dam基因編碼的甲基化酶將DNA堿基序列(GATC)中的A在N6位甲基化，但新合成的A要晚一些才被甲基化，這使堿基序列只是在剛合成的新DNA鏈中還沒有被甲基化，這就能區(qū)別新DNA鏈和模板鏈

參與錯配修復(fù)的酶與蛋白質(zhì)：

Dam甲基化酶;MutH、MutL、MutS蛋白;解螺旋酶Ⅱ;DNA聚合酶Ⅲ;外切酶Ⅰ、Ⅹ、Ⅶ；RecJ核酸酶DNA連接酶；SSB113錯配校正系統(tǒng)參與錯配修復(fù)的酶與蛋白質(zhì)：37錯配校正示意圖114錯配校正示意圖38§2

RNA生物合成的種類和方式DNA指導(dǎo)的RNA合成(轉(zhuǎn)錄)RNA指導(dǎo)的RNA合成(RNA復(fù)制)

在生物界，RNA合成有兩種方式：一是DNA指導(dǎo)的RNA合成，此為生物體內(nèi)的主要合成方式。另一種是RNA指導(dǎo)的RNA合成，此種方式常見于病毒115§2RNA生物合成的種類和方式DNA指導(dǎo)的RNA合§2.1

DNA指導(dǎo)的RNA生物合成(轉(zhuǎn)錄)原核細(xì)胞RNA的生物合成2.真核細(xì)胞RNA的生物合成3.轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工116§2.1DNA指導(dǎo)的RNA生物合成(轉(zhuǎn)錄)原核細(xì)胞RNA§2.1.1

原核細(xì)胞RNA的生物合成

1960年，RNA聚合酶被發(fā)現(xiàn)。在E.coli中，RNA聚合酶催化RNA的合成需要：模板：雙鏈或單鏈DNA活性單體物質(zhì)：四種NTP二價金屬離子：Mg2+或Mn2+，在生物體中(invivo)發(fā)現(xiàn)的是Mg2+合成方向：53117§2.1.1原核細(xì)胞RNA的生物合成1960年轉(zhuǎn)錄不需要引物只轉(zhuǎn)錄DNA分子中的一個片段(稱為操縱子operon)雙鏈DNA中只有一條鏈具有轉(zhuǎn)錄活性(稱為模板鏈)

RNA聚合酶無校對功能RNA的合成與DNA合成的不同118轉(zhuǎn)錄不需要引物RNA的合成與DNA合成的不同42復(fù)制和與轉(zhuǎn)錄的區(qū)別119復(fù)制和與轉(zhuǎn)錄的區(qū)別43DNA的有義鏈和反義鏈啟動子(promoter)

終止子(terminator)模板鏈（templattestrand）反義鏈(antisensestrand)有義鏈(sensestrand)非信息區(qū)DNA5′5′3′3′

模板鏈：雙鏈DNA中具有轉(zhuǎn)錄活性的的鏈稱為模板鏈，又稱反義鏈(或負(fù)鏈，Watson鏈)

編碼鏈：雙鏈DNA中無轉(zhuǎn)錄活性的鏈稱為編碼鏈，又稱有義鏈(或正鏈，Crick鏈)120DNA的有義鏈和反義鏈啟動子(promoter)DNA的有義鏈和反義鏈121DNA的有義鏈和反義鏈45E.Coli中的RNA聚合酶122E.Coli中的RNA聚合酶46E.Coli中的RNA聚合酶(亞基：轉(zhuǎn)錄的啟動子識別)123E.Coli中的RNA聚合酶(亞基：轉(zhuǎn)錄的啟動子識別)47真核生物中的RNA聚合酶124真核生物中的RNA聚合酶48啟動子和轉(zhuǎn)錄因子125啟動子和轉(zhuǎn)錄因子49終止子和終止因子126終止子和終止因子50RNA轉(zhuǎn)錄的終止轉(zhuǎn)錄終止信號有兩種：簡單終止子(不依賴ρ因子)：

(1)能形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)(2)在終止點(diǎn)之前具有一系列U核苷酸(連續(xù)6個)；回文對稱區(qū)通常有一段富含GC序列依賴ρ因子的終止子：

回文結(jié)構(gòu)區(qū)不含富有GC區(qū)，回文結(jié)構(gòu)之后也無寡聚U127RNA轉(zhuǎn)錄的終止轉(zhuǎn)錄終止信號有兩種：51不對稱轉(zhuǎn)錄128不對稱轉(zhuǎn)錄52轉(zhuǎn)錄時DNA雙鏈局部解開129轉(zhuǎn)錄時DNA雙鏈局部解開53RNA轉(zhuǎn)錄過程RNA轉(zhuǎn)錄由識別、起始、延伸、終止四個階段組成識別:RNA聚合酶在σ亞基的引導(dǎo)下結(jié)合于啟動子；DNA雙鏈局部解開，形成轉(zhuǎn)錄泡；

起始：在模板鏈上通過堿基配對合成最初RNA鏈延伸：σ亞基脫離，核心酶沿著DNA鏈由3→5的方向移動，轉(zhuǎn)錄區(qū)間的DNA雙鏈解螺旋，而轉(zhuǎn)錄完的區(qū)間DNA又恢復(fù)雙螺旋結(jié)構(gòu)終止：核心酶到達(dá)終止子，RNA與核心酶從DNA上脫落130RNA轉(zhuǎn)錄過程RNA轉(zhuǎn)錄由識別、起始、延伸、終止RNA轉(zhuǎn)錄的起始131RNA轉(zhuǎn)錄的起始55解螺旋恢復(fù)螺旋轉(zhuǎn)錄泡模板鏈編碼鏈RNA聚合酶作用示意圖132解螺旋恢復(fù)螺旋轉(zhuǎn)錄泡模板鏈編碼鏈RNA聚合酶作用示意圖56RNA轉(zhuǎn)錄的延伸133RNA轉(zhuǎn)錄的延伸57§2.1.2真核細(xì)胞RNA的生物合成

真核生物的RNA聚合酶主要分布于細(xì)胞核內(nèi)，RNA合成也就主要發(fā)生在細(xì)胞核中酶類分布產(chǎn)物α-鵝膏蕈堿對酶的影響分子量(KDa)反應(yīng)條件ⅠⅡⅢ核仁核質(zhì)核質(zhì)rRNA（5.8S、18S、28S）mRNAtRNA、5SrRNA不抑制低濃度抑制高濃度抑制500～700～700低離子強(qiáng)度要求Mg2+或Mn2+高離子強(qiáng)度高M(jìn)n2+濃度134§