第三講與生物合成

（優(yōu)選）第三講與生物合成當(dāng)前第1頁\共有60頁\編于星期五\22點DNA代謝無論是只含有一對染色體的原核細(xì)胞還是帶有多對染色體的真核細(xì)胞，只有整個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，DNA復(fù)制的起始，標(biāo)志了細(xì)胞進(jìn)入一個新的周期。當(dāng)前第2頁\共有60頁\編于星期五\22點㈠、DNA復(fù)制

根據(jù)反應(yīng)階段和所需的不同酶類，DNA的復(fù)制可被分為三個階段，即復(fù)制起始、延伸和終止。每個DNA復(fù)制的獨立單元被稱為復(fù)制子（replicon），主要包括復(fù)制起始位點（Origineofreplication）和終止位點（terminus）。原核生物的整個染色體上一般只有一個復(fù)制起始位點。

大腸桿菌DNA的復(fù)制需要有20種左右的酶和蛋白質(zhì)因子參與，整個DNA復(fù)制機(jī)器被稱之為DNAreplicasesystem或replisome。

原核DNA復(fù)制動畫注:（需軟件支持）當(dāng)前第3頁\共有60頁\編于星期五\22點Helicase，任何DNA在被復(fù)制前都必須解開雙鏈，這個過程是由helicase來完成的，它可在ATP的作用下將DNA母鏈不斷解開形成單鏈。

Topoisomerase，主要功能是消除DNA解鏈過程中所產(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。

DNApolymerases，合成新生DNA鏈，切除RNA引物。

DNALigases，使新生DNA鏈上的缺口（3'-OH,5'-p）生成磷酸二酯鍵。DNAreplicasesystem當(dāng)前第4頁\共有60頁\編于星期五\22點當(dāng)前第5頁\共有60頁\編于星期五\22點1.DNA復(fù)制的起始

大腸桿菌中的復(fù)制起始位點是OriC，全長245Bp，該序列在所有細(xì)菌復(fù)制起始位點中都是保守的。當(dāng)前第6頁\共有60頁\編于星期五\22點(續(xù)表）當(dāng)前第7頁\共有60頁\編于星期五\22點當(dāng)前第8頁\共有60頁\編于星期五\22點當(dāng)前第9頁\共有60頁\編于星期五\22點當(dāng)前第10頁\共有60頁\編于星期五\22點DNA復(fù)制起始中的主要步驟

a.大約20個左右的DnaA蛋白首先與OriC中的4個9堿基重復(fù)區(qū)相結(jié)合；

b.識別并使3個13堿基串聯(lián)重復(fù)區(qū)DNA形成開環(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，可在不同方向同時起始DNA的復(fù)制。當(dāng)細(xì)胞中存在足夠的SSB和DNAgyrase時，DnaB的解鏈效率非常高。

整個DNA復(fù)制過程中，只有復(fù)制起始受細(xì)胞周期的嚴(yán)格調(diào)控。

"Onceineachcellcycle。"當(dāng)前第11頁\共有60頁\編于星期五\22點DNA甲基化與DNA復(fù)制起始密切相關(guān)。OriC中有11個GATC回文結(jié)構(gòu)（一般說來，256bp才應(yīng)有一個GATC重復(fù)）。DNA子鏈被合成后，母鏈立即被甲基化（稱為hemimethylated）。此時，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，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水解過程調(diào)控，因為DnaA只有與ATP相結(jié)合時才能與oriC區(qū)DNA相結(jié)合。當(dāng)前第12頁\共有60頁\編于星期五\22點當(dāng)前第13頁\共有60頁\編于星期五\22點2.DNA子鏈的延伸

主要包括兩個不同但相互有聯(lián)系的事件，即前導(dǎo)鏈和滯后鏈的合成。由DNAhelicase解開雙螺旋，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DnaG（primase）在復(fù)制起始位點附近合成一個10-60nt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Okazakifragments，消除RNA引物并由DNApolI補上這一小段DNA序列，由DNALigase把兩個片段相連。當(dāng)前第14頁\共有60頁\編于星期五\22點3.DNA鏈的終止

當(dāng)子鏈延伸達(dá)到terminusregion（ter，帶有多個20bp序列）時，DNA復(fù)制就終止了。Ter有點像一個陷井（trap），使復(fù)制叉只能進(jìn)入，不能出來。Ter的功能主要是由Ter-Tus復(fù)合物（terutilizationsubstance）來完成的。當(dāng)前第15頁\共有60頁\編于星期五\22點當(dāng)前第16頁\共有60頁\編于星期五\22點當(dāng)前第17頁\共有60頁\編于星期五\22點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originofreplication被稱為ARS-autonomouslyreplicatingsequences或者被稱為replicators。Yeastreplicators長約150dp，有多個保守重復(fù)區(qū)，共有約500個replicators分布于酵母的17條染色體中。當(dāng)前第18頁\共有60頁\編于星期五\22點當(dāng)前第19頁\共有60頁\編于星期五\22點㈡、DNA的損傷修復(fù)1．錯配修復(fù)（mismatchRepair）

錯配修復(fù)對DNA復(fù)制忠實性的貢獻(xiàn)力達(dá)102-103，DNA子鏈中的錯配幾乎完全都被修正，充分反映了母鏈的重要性。當(dāng)前第20頁\共有60頁\編于星期五\22點當(dāng)前第21頁\共有60頁\編于星期五\22點當(dāng)前第22頁\共有60頁\編于星期五\22點2.堿基切除修復(fù)（Base-ExcisionRepair）

DNAgylcosylases能特異性識別常見的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（apurinicorapyrimidinic）。細(xì)胞中最常見的UracilGlycosylase就能特異性切除細(xì)胞中的去氨基胞嘧啶。當(dāng)前第23頁\共有60頁\編于星期五\22點3.核苷酸切除修復(fù)（nucleotide-excisionrepair）

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)。當(dāng)前第24頁\共有60頁\編于星期五\22點當(dāng)前第25頁\共有60頁\編于星期五\22點4.DNA的直接修復(fù)（Directrepair）

當(dāng)前第26頁\共有60頁\編于星期五\22點當(dāng)前第27頁\共有60頁\編于星期五\22點當(dāng)前第28頁\共有60頁\編于星期五\22點㈢、DNA的轉(zhuǎn)座DNA的轉(zhuǎn)座，或稱移位（transposition），是由可移位因子（transposableelement）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，因為在轉(zhuǎn)座過程中，可移位因子的一個拷貝常常留在原來位置上，在新位點上出現(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。當(dāng)前第29頁\共有60頁\編于星期五\22點a.簡單轉(zhuǎn)座子

轉(zhuǎn)座子（transposon，Tn）是存在于染色體DNA上可自主復(fù)制和移位的基本單位。

最簡單的轉(zhuǎn)座子不含有任何宿主基因而常被稱為插入序列（insertionsequence，IS），它們是細(xì)菌染色體或質(zhì)粒DNA的正常組成部分。一個細(xì)菌細(xì)胞常帶有少于10個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序列都是可以獨立存在的單元，帶有介導(dǎo)自身移動的蛋白。當(dāng)前第30頁\共有60頁\編于星期五\22點當(dāng)前第31頁\共有60頁\編于星期五\22點當(dāng)前第32頁\共有60頁\編于星期五\22點b.復(fù)合式轉(zhuǎn)座子（compositetransposon）是一類帶有某些抗藥性基因（或其他宿主基因）的轉(zhuǎn)座子，其兩翼往往是兩個相同或高度同源的IS序列，表明IS序列插入到某個功能基因兩端時就可能產(chǎn)生復(fù)合轉(zhuǎn)座子。一旦形成復(fù)合轉(zhuǎn)座子，IS序列就不能再單獨移動，因為它們的功能被修飾了，只能作為復(fù)合體移動。當(dāng)前第33頁\共有60頁\編于星期五\22點當(dāng)前第34頁\共有60頁\編于星期五\22點當(dāng)前第35頁\共有60頁\編于星期五\22點2、轉(zhuǎn)座作用的機(jī)制

轉(zhuǎn)座時發(fā)生的插入作用有一個普遍的特征，那就是受體分子中有一段很短的（3-12bp）、被稱為靶序列的DNA會被復(fù)制，使插入的轉(zhuǎn)座子位于兩個重復(fù)的靶序列之間。不同轉(zhuǎn)座子的靶序列長度不同，但對于一個特定的轉(zhuǎn)座子來說，它所復(fù)制的靶序列長度都是一樣的，如IS1兩翼總有9個堿基對的靶序列，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)座子作為一個可移動的實體直接被移位，IS序列、Mu及Tn5等都以這種方式進(jìn)行轉(zhuǎn)座。當(dāng)前第36頁\共有60頁\編于星期五\22點當(dāng)前第37頁\共有60頁\編于星期五\22點3.轉(zhuǎn)座作用的遺傳學(xué)效應(yīng)①轉(zhuǎn)座引起插入突變;②轉(zhuǎn)座產(chǎn)生新的基因;③轉(zhuǎn)座產(chǎn)生的染色體畸變;④轉(zhuǎn)座引起的生物進(jìn)化.當(dāng)前第38頁\共有60頁\編于星期五\22點RNA代謝

除了某些RNA病毒之外，所有RNA分子都來自于DNA?；蚪MDNA通過一個被稱為轉(zhuǎn)錄的過程把貯存在雙鏈DNA分子中的遺傳信息轉(zhuǎn)換到與模板DNA鏈相互補的RNA單鏈上。mRNA，編碼了一個或多個蛋白質(zhì)序列；tRNA，把mRNA上的遺傳信息變?yōu)槎嚯闹械陌被嵝畔?；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)錄當(dāng)前第39頁\共有60頁\編于星期五\22點1．依賴于DNA的RNA合成

從DNA合成反應(yīng)的化學(xué)本質(zhì)、極性和模板的使用這三方面來說，轉(zhuǎn)錄與復(fù)制是相同的。但是，也存在三個主要不同點：

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。當(dāng)前第40頁\共有60頁\編于星期五\22點當(dāng)前第41頁\共有60頁\編于星期五\22點當(dāng)前第42頁\共有60頁\編于星期五\22點當(dāng)前第43頁\共有60頁\編于星期五\22點當(dāng)前第44頁\共有60頁\編于星期五\22點2.RNA合成的終止

一旦RNA聚合酶啟動了基因轉(zhuǎn)錄，它就會沿著模板5'→3'方向不停地移動，合成RNA鏈，直到遇到終止信號時才釋放新生的RNA鏈，并與模板DNA脫離。

研究RNA鏈終止時遇到最常見的問題是3'端核苷酸的定位，因為活細(xì)胞內(nèi)部根據(jù)終止信號正確終止的RNA與一個經(jīng)過剪接的RNA在3'端沒有兩樣，都是-OH基團(tuán)。模板DNA上都有終止轉(zhuǎn)錄的特殊信號--終止子，每個基因或操縱子都有一個啟動子，一個終止子。在新生RNA中出現(xiàn)發(fā)卡式結(jié)構(gòu)會導(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rU·dA區(qū)域。當(dāng)前第45頁\共有60頁\編于星期五\22點當(dāng)前第46頁\共有60頁\編于星期五\22點a.依賴于ρ因子的終止

ρ因子是一個相對分子質(zhì)量為2.0×105的六聚體蛋白，它能水解各種核苷三磷酸，實際上是一種NTP酶。由于催化了NTP的水解，ρ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，從而終止轉(zhuǎn)錄。

有人認(rèn)為，在RNA合成起始以后，ρ因子即附著在新生的RNA鏈上，靠ATP水解產(chǎn)生的能量，沿著5'→3'方向朝RNA聚合酶移動，到達(dá)RNA的3'-OH端后取代了暫停在終止位點上的RNA聚合酶，并從模板和酶上釋放RNA，完成轉(zhuǎn)錄過程。終止過程需要消耗能量，所以，ρ因子具有終止轉(zhuǎn)錄和核苷三磷酸酶兩種功能。當(dāng)前第47頁\共有60頁\編于星期五\22點當(dāng)前第48頁\共有60頁\編于星期五\22點b、不依賴于ρ因子的終止

若終止點上游存在一個富含GC堿基的二重對稱區(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)；在終止點前面有一段由4-8個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rU·dA區(qū)域。當(dāng)前第49頁\共有60頁\編于星期五\22點3.RNA聚合酶II及轉(zhuǎn)錄因子在啟動子上的裝配當(dāng)前第50頁\共有60頁\編于星期五\22點TFⅡH還參與DNA的損傷修復(fù)。當(dāng)RNApolⅡ轉(zhuǎn)錄過程中碰到受損傷的核苷酸時，TFⅡH能及時啟動核苷酸切除修復(fù)系統(tǒng)，將損傷修復(fù)。當(dāng)前第51頁\共有60頁\編于星期五\22點ActinomycinD和Acridine阻斷RNA鏈的延伸當(dāng)前第52頁\共有60頁\編于星期五\22點3.RNA的加工成熟當(dāng)前第53頁\共有60頁\編于星期五\22點所以，RNA加工成熟主要包括：5’加帽子結(jié)構(gòu)；3’加多聚A；切除內(nèi)含子。當(dāng)前第54頁\共有60頁\編于星期五\22點

在GroupI內(nèi)含子切除體系中，鳥苷或鳥苷酸的3'-OH

作為親核基團(tuán)向Intron5'的磷酸二酯鍵發(fā)起進(jìn)攻。當(dāng)前第55頁\共有60頁\編于星期五\22點當(dāng)前第56頁\共有60頁\編于星期五\22點