遺傳信息的復(fù)制

遺傳信息的復(fù)制生命的特征是什么？生命的特征就是“活的”。生命現(xiàn)象最本質(zhì)的內(nèi)容就是自復(fù)制（自我繁殖和自我組織。一個受精卵為什么變成一朵鮮花或一頭大象？生物的性狀是由什么決定的？又是怎樣代代相傳的呢？人也是從受精卵逐漸發(fā)育成完整的個體的，而決定一個人將來長成什么樣子的生命藍(lán)圖就儲存在受精卵的DNA中。DNA（或RNA）攜帶著決定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的遺傳信息而且代代相傳，這就我們遺傳信息的傳遞（即復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯）要討論的內(nèi)容。為什么要講復(fù)制？就是要了解：子代DNA為什么能真實(shí)獲得親代DNA的遺傳信息；2、復(fù)制是怎樣進(jìn)行的？3、生物體是怎樣對復(fù)制進(jìn)行調(diào)控的？對于前兩個問題，watson-crick當(dāng)年發(fā)表DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)就進(jìn)行了探討。克立克晚年回憶說，當(dāng)年的設(shè)想太簡單化了，DNA的兩條鏈不可能象拉鏈一樣拉開，各配上一半就行了。事實(shí)上現(xiàn)已知道的復(fù)制過程十分復(fù)雜，涉及到底物，30多種酶和蛋白質(zhì)的協(xié)同作用。這些內(nèi)容生化都講過了，為了適應(yīng)新的游戲規(guī)則，在這里我們將有關(guān)內(nèi)容作一個快速復(fù)習(xí)。第2頁,共67頁，2024年2月25日，星期天——

儲存和傳遞遺傳信息蛋白質(zhì)核酸——

構(gòu)成生物體的基本組分，

執(zhí)行各種生理功能第3頁,共67頁，2024年2月25日，星期天中心法則

(TheCentralDogma)轉(zhuǎn)錄翻譯逆轉(zhuǎn)錄DNARNA蛋白質(zhì)復(fù)制第4頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

*DNA通過基因表達(dá)，決定了蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、功能*

DNA通過復(fù)制，將基因信息代代相傳

*RNA參與DNA遺傳信息的表達(dá)

*RNA也可作為某些病毒遺傳信息的載體第5頁,共67頁，2024年2月25日，星期天復(fù)制

(replication)

——

由親代DNA合成兩個相同的子代DNA的過程。

復(fù)制親代DNA子代DNA第6頁,共67頁，2024年2月25日，星期天本章主要內(nèi)容：1、復(fù)制的特征2、參與復(fù)制的物質(zhì)3、復(fù)制的過程4、DNA損傷與修復(fù)5、逆轉(zhuǎn)錄生成DNA第7頁,共67頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)復(fù)制的特征DNA復(fù)制的方式第8頁,共67頁，2024年2月25日，星期天一、復(fù)制可能的幾種方式全保留式半保留式混合式第9頁,共67頁，2024年2月25日，星期天二、密度梯度實(shí)驗(yàn)——實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持半保留復(fù)制的設(shè)想含重氮-DNA的細(xì)菌培養(yǎng)于普通培養(yǎng)液

第一代繼續(xù)培養(yǎng)于普通培養(yǎng)液第二代梯度離心結(jié)果第10頁,共67頁，2024年2月25日，星期天(semiconservativereplication)

當(dāng)DNA進(jìn)行復(fù)制時，雙螺旋結(jié)構(gòu)解開成兩條單鏈，各自作為模板合成與之互補(bǔ)的新鏈。在子代DNA雙鏈中，一條是來自于親代，另一條完全重新合成。這種復(fù)制方式稱為半保留復(fù)制

三、半保留復(fù)制第11頁,共67頁，2024年2月25日，星期天AGAACTTTCTTGAAAGAACTTTCTTGAATCTTGAAAGAACTT母代DNA子代DNA第12頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

按半保留復(fù)制方式，子代DNA與親代DNA的堿基序列一致，即子代保留了親代的全部遺傳信息，體現(xiàn)了遺傳的保守性。四、半保留復(fù)制的意義遺傳的保守性，是物種穩(wěn)定性的分子基礎(chǔ)，但不是絕對的。第13頁,共67頁，2024年2月25日，星期天DNA復(fù)制的酶學(xué)第二節(jié)第14頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

參與DNA復(fù)制的物質(zhì)：

底物（substrate)

:dATP，dGTP，dCTP，dTTP；

聚合酶

(polymerase):

依賴DNA的DNA聚合酶，簡寫為DNA-pol；

模板(template):

解開成單鏈的DNA母鏈；

引物

(primer):

一小段RNA；

其他的酶和蛋白質(zhì)因子第15頁,共67頁，2024年2月25日，星期天在研究復(fù)制時，將與復(fù)制有關(guān)的蛋白質(zhì)命名為：

DnaA,DnaB,DnaC,‥‥‥DnaX將相關(guān)的基因命名為：

dnaA,dnaB,dnaC,‥‥‥dnaX第16頁,共67頁，2024年2月25日，星期天一、DNA聚合酶（一）

DNA聚合酶催化的反應(yīng)1、5

至3

的聚合活性dTTP3'(dNMP)n+dNTP

(dNMP)

n+1+ppi3'

ATGCAATTGC5'||||5

TACGppiT全稱：依賴DNA的DNA聚合酶（DNA-dependentDNApolymerase,DDDP）第17頁,共67頁，2024年2月25日，星期天聚合反應(yīng)的特點(diǎn)：1、聚合反應(yīng)具有方向性:5

3

2、DNA聚合酶不能催化兩個游離的脫氧核苷酸聚合，只能在一段寡核苷酸的3-OH逐個添加脫氧核苷酸，使核苷酸鏈不斷延長。第18頁,共67頁，2024年2月25日，星期天5’

AGCTTCAGGATA

3’

|||||||||||3’TCGAAGTCCTAGCGAC5’3

5

外切酶活性

5

3

外切酶活性?能切除突變的DNA片段能辨認(rèn)錯配的堿基對，并將其水解2、核酸外切酶活性第19頁,共67頁，2024年2月25日，星期天（二）

DNA聚合酶的分類1、原核生物的DNA聚合酶：DNA-polⅠDNA-polⅡDNA-polⅢ第20頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

——對復(fù)制中的錯誤進(jìn)行校讀，對復(fù)制和修復(fù)中出現(xiàn)的空隙進(jìn)行填補(bǔ)。DNA-polⅠ第21頁,共67頁，2024年2月25日，星期天323個氨基酸小片段5核酸外切酶活性大片段

/

Klenow

片段

604個氨基酸

DNA聚合酶活性

5核酸外切酶活性常用工具酶N端C端木瓜蛋白酶第22頁,共67頁，2024年2月25日，星期天——在復(fù)制延長過程中

真正催化新鏈核苷酸聚合的酶DNA-polⅢ第23頁,共67頁，2024年2月25日，星期天2、真核生物的DNA聚合酶DNA-pol

在復(fù)制延長中起催化作用在復(fù)制延長中起催化作用在沒有其他DNA-pol時才發(fā)揮催化作用在復(fù)制過程中起校讀、修復(fù)和填補(bǔ)缺口的作用在線粒體DNA復(fù)制中起催化作用DNA-pol

DNA-pol

DNA-pol

DNA-pol

第24頁,共67頁，2024年2月25日，星期天（三）復(fù)制的保真性(fidelity)

DNA聚合酶對模板的依賴性，是子鏈與母鏈能準(zhǔn)確配對的保證。復(fù)制過程中，DNA復(fù)制的保真性至少依賴三種機(jī)制：1、遵守嚴(yán)格的堿基配對規(guī)律2、聚合酶在復(fù)制延長時對堿基的選擇功能3、復(fù)制出錯時DNA-pol的及時校讀功能第25頁,共67頁，2024年2月25日，星期天二、解鏈、解旋酶類(一）解螺旋酶（helicase

)

——

利用

ATP供能，作用于氫鍵，使DNA雙鏈解開成為兩條單鏈。(二)單鏈DNA結(jié)合蛋白（SSB）

SSBDnaBDnaC解鏈方向第26頁,共67頁，2024年2月25日，星期天(三）DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶（DNAtopoiSOmerase）108局部解鏈后第27頁,共67頁，2024年2月25日，星期天拓?fù)洚悩?gòu)酶作用特點(diǎn)：既能水解、又能連接磷酸二酯鍵解鏈過程中，DNA分子會過度擰緊、打結(jié)、纏繞、連環(huán)等現(xiàn)象，均需DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶，改變DNA分子構(gòu)象，理順DNA鏈，使復(fù)制能順利進(jìn)行。分類：拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ第28頁,共67頁，2024年2月25日，星期天拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ切斷DNA雙鏈中一股鏈，使DNA解鏈旋轉(zhuǎn)不致打結(jié)；適當(dāng)時候封閉切口，DNA變?yōu)樗沙跔顟B(tài)（負(fù)超螺旋）拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ切斷DNA分子兩股鏈，斷端通過切口旋轉(zhuǎn)使超螺旋松弛；利用ATP供能，連接斷端，DNA分子進(jìn)入負(fù)超螺旋狀態(tài)。*作用機(jī)制：第29頁,共67頁，2024年2月25日，星期天三、引物酶和引發(fā)體引物酶(

primase

)在模板的復(fù)制起始部位催化NTP的聚合,形成短片段的RNA。這一小段RNA作為復(fù)制的引物（primer），提供3

-OH末端，使DNA-pol能夠催化dNTP聚合。依賴DNA的RNA聚合酶引物酶與其他和復(fù)制有關(guān)的蛋白質(zhì)形成的復(fù)合物。引發(fā)體（primosome）第30頁,共67頁，2024年2月25日，星期天四、DNA連接酶(DNAligase

)

連接DNA鏈3

-OH末端和相鄰DNA鏈5

-P末端，使二者生成磷酸酯鍵，從而把兩段相鄰的DNA鏈連接成完整的鏈。ATPDNA連接酶在DNA修復(fù)、重組、剪接中也起連接缺口的作用。OHP第31頁,共67頁，2024年2月25日，星期天DNA生物合成過程第三節(jié)第32頁,共67頁，2024年2月25日，星期天G1G2SM哺乳動物的細(xì)胞周期DNA合成(synthesis)期人為分成：起始、延長、終止三個階段第33頁,共67頁，2024年2月25日，星期天一、復(fù)制的起始需要解決兩個問題：1、DNA解開成單鏈，提供模板2、生成引物，提供3-OH末端第34頁,共67頁，2024年2月25日，星期天

相關(guān)的幾個概念：1、復(fù)制起始點(diǎn)（E.coli-oriC）GATTNTTTATTT···GATCTNTTNTATT···GATCCTTATTAG···11317293244···TGTGGATTA-‖-TTATTACACA-‖-TTTGGATAA-‖-TTATCCACA5866166174201209237245串聯(lián)重復(fù)序列反向重復(fù)序列5

3

5

3

第35頁,共67頁，2024年2月25日，星期天復(fù)制時DNA雙鏈解開分成二股單鏈?新鏈沿著張開的二股單鏈生成，復(fù)制中形成的這種Y字形的結(jié)構(gòu)稱為復(fù)制叉2、復(fù)制叉（replicationfork）3

5

5

3

新鏈3

5

3

5

親代DNA復(fù)制方向第36頁,共67頁，2024年2月25日，星期天原核生物例如E.coli，是從固定的復(fù)制起始點(diǎn)開始，同時向兩個方向進(jìn)行復(fù)制

稱為雙向復(fù)制（bidirectionalreplication）

3、雙向復(fù)制第37頁,共67頁，2024年2月25日，星期天DnaA蛋白辨認(rèn)起始點(diǎn),形成起始復(fù)合物DnaB蛋白解螺旋DnaC蛋白協(xié)助DnaB在多種蛋白質(zhì)參與下，DNA解開成單鏈HU蛋白促進(jìn)起始SSB維持單鏈穩(wěn)定第38頁,共67頁，2024年2月25日，星期天引物合成DnaADnaB、DnaCDNA拓?fù)洚悩?gòu)酶引物酶OHSSB3

5

3

5

第39頁,共67頁，2024年2月25日，星期天真核生物的染色體龐大、復(fù)雜，有多個復(fù)制起始點(diǎn)，同時進(jìn)行多個DNA片段的復(fù)制。兩個起始點(diǎn)之間的DNA片段，稱為一個復(fù)制子（replicon）。真核生物也是雙向復(fù)制。第40頁,共67頁，2024年2月25日，星期天二、復(fù)制的延長第41頁,共67頁，2024年2月25日，星期天DNA聚合酶催化游離的脫氧核苷酸結(jié)合到新鏈3’末端，使其不斷延長。5’3’5’DNA-polDNA-polDNA-polDNA-pol（一）復(fù)制延長的過程dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTP第42頁,共67頁，2024年2月25日，星期天領(lǐng)頭鏈(leadingstrand

)

順著解鏈方向生成的子鏈，其復(fù)制是連續(xù)進(jìn)行的，所得到一條連續(xù)片段的子鏈。5’3’3

5

3

5

解鏈方向

（二）復(fù)制的半不連續(xù)性第43頁,共67頁，2024年2月25日，星期天3

5

3

5

解鏈方向復(fù)制方向與解鏈方向相反，須等待解開足夠長度的模板鏈才能繼續(xù)復(fù)制，所得到一條由不連續(xù)片段組成的子鏈。隨從鏈

(

laggingstrand

)

岡崎片段（Okazakifragment）

3’5’3’3’5’第44頁,共67頁，2024年2月25日，星期天三、復(fù)制的終止第45頁,共67頁，2024年2月25日，星期天原核生物的復(fù)制終止1，多為環(huán)狀DNA分子，雙向復(fù)制的復(fù)制片段在復(fù)制的終止點(diǎn)（ter）處匯合。第46頁,共67頁，2024年2月25日，星期天5`5`5`RNA酶OHP5`DNA聚合酶dNTP5`5`PATPADP+Pi5`5`DNA連接酶2，隨從鏈上不連續(xù)性片段的連接第47頁,共67頁，2024年2月25日，星期天真核生物的復(fù)制終止1，染色體DNA呈線狀，復(fù)制在末端停止5`5`5`5`水解、聚合、連接5`5`5`5`

2，連接不連續(xù)片段第48頁,共67頁，2024年2月25日，星期天端粒（

telomere）真核生物染色體線性DNA分子末端的結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1）由末端單鏈DNA序列和蛋白質(zhì)構(gòu)成2）末端DNA序列是多次重復(fù)的富含G、C堿基的短序列。2、功能1）維持染色體的穩(wěn)定性2）維持DNA復(fù)制的完整性TTTTGGGGTTTTGGGG…第49頁,共67頁，2024年2月25日，星期天端粒酶（

telomerase）1一種RNA-蛋白質(zhì)的復(fù)合物2一種特殊的逆轉(zhuǎn)錄酶,能依賴自身的RNA為模板逆轉(zhuǎn)錄合成端粒DNA特點(diǎn)：功能：復(fù)制終止時，染色體線性DNA末端確有可能縮短，但通過端粒酶的作用，可以補(bǔ)償這種由除去引物引起的末端縮短。第50頁,共67頁，2024年2月25日，星期天四、其他復(fù)制方式第51頁,共67頁，2024年2月25日，星期天滾環(huán)復(fù)制rollingcirclereplication第52頁,共67頁，2024年2月25日，星期天DNA損傷與修復(fù)第四節(jié)第53頁,共67頁，2024年2月25日，星期天遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)改變而引起的遺傳信息改變，均可稱為突變

mutation）

在復(fù)制過程中發(fā)生的DNA突變稱為DNA損傷（DNAdamage）從分子水平來看，突變就是DNA分子上堿基的改變。第54頁,共67頁，2024年2月25日，星期天一、突變的意義（一）突變是進(jìn)化、分化的分子基礎(chǔ)自發(fā)突變/自然突變

（二）突變導(dǎo)致基因型改變沒有可察覺的表型改變個體之間基因型的差別稱為多態(tài)性（polymophism）（三）突變導(dǎo)致死亡（四）突變是某些疾病的發(fā)病基礎(chǔ)第55頁,共67頁，2024年2月25日，星期天二、引發(fā)突變的因素物理因素：紫外線、各種輻射第56頁,共67頁，2024年2月25日，星期天化學(xué)因素：常見的化學(xué)誘變劑化合物類別作用點(diǎn)分子改變堿基類似物如：5-BUA

5-BUG-A--T--G--C-羥胺類（NH2OH）T

C-T--A--C--G-亞硝酸鹽（NO2）C

U-G--C--A--T-烷化劑如：氮芥類，NitrominsG

mGDNA缺失G第57頁,共67頁，2024年2月25日，星期天三、突變的類型（一）點(diǎn)突變（pointmutation）——指DNA分子上一個堿基的變異發(fā)生在同型堿基之間，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。1、轉(zhuǎn)換發(fā)生在異型堿基之間，即嘌呤變嘧啶或嘧啶變嘌呤。2、顛換第58頁,共67頁，2024年2月25日，星期天正常成人Hb(HbA)N–pro·

glu

·glu

·

·

·

C鐮形紅細(xì)貧血病人Hb(HbS)N–pro·

val

·glu

·

·

·

CCT

CGAGCACGTG第59頁,共67頁，2024年2月25日，星期天（二）缺失（deletion）、插入(insertion)缺失：一個堿基或一段核苷酸鏈從

DNA大分子上消失。插入：原來沒有的一個堿基或一段核苷酸鏈插入到DNA大分子中間。第60頁,共67頁，2024年2月25日，星期天谷酪蛋絲5’

……G

CA