《DNA的复制与修复》PPT课件

第十二章DNA的复制和修复本章重点介绍遗传中心法则和DNA的半保留复制以及逆转录的过程和机理，对DNA的损伤和修复、突变和重组作一般介绍。思考DNA是绝大多数生物体遗传信息的载体，继1953年Watson&Crick提出DNA双螺旋结构模型后，1958年，Crick提出了“中心法则”(Centraldogma)揭示了遗传信息的传递规律。遗传信息传递的中心法则蛋白质翻译转录逆转录复制复制DNARNA生物的遗传信息以密码的形式储存在DNA分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序。在细胞分裂的过程中，通过DNA复制把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递给两个子代细胞。在子代细胞的生长发育过程中，这些遗传信息通过转录传递给RNA，再由RNA通过翻译转变成相应的蛋白质多肽链上的氨基酸排列顺序，由蛋白质执行各种各样的生物学功能，使后代表现出与亲代相似的遗传特征。后来人们又发现，在宿主细胞中一些RNA病毒能以自己的RNA为模板复制出新的病毒RNA，还有一些RNA病毒能以其RNA为模板合成DNA，称为逆转录这是中心法则的补充。中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律，揭示遗传的分子基础，不仅使人们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而且以这方面的理论和技术为基础发展了基因工程，给人类的生产和生活带来了深刻的革命。目录第一节DNA的复制（DNA指导下的DNA合成）第二节DNA的损伤与修复第三节DNA突变第四节逆转录作用（RNA指导下的DNA的合成）第五节DNA的遗传重组第一节DNA的半保留复制一、概念和实验依据二、DNA聚合反应有关的酶类三、DNA的复制的起始点和方式四、原核细胞DNA的复制过程五、DNA复制的忠实性六、真核细胞DNA的复制DNA的半保留复制的概念DNA在复制时，两条链解开分别作为模板，在DNA聚合酶的催化下按碱基互补的原则合成两条与模板链互补的新链，以组成新的DNA分子。这样新形成的两个DNA分子与亲代DNA分子的碱基顺序完全一样。由于子代DNA分子中一条链来自亲代，另一条链是新合成的，这种复制方式称为半保留复制。DNA的半保留复制实验依据1958年Meselson&stahl用同位素示踪标记加密度梯度离心技术实验,证明了DNA是采取半保留的方式进行复制.[15N]DNA[14N-15N]DNA[14N]DNA[14N-15N]DNA复制中的大肠杆菌染色体放射自显影图(Cairns实验)将3H-胸苷标记大肠杆菌DNA，经过近两代的时间，3H-胸苷掺入大肠杆菌DNA。用溶菌酶把细胞壁消化掉，使完整的大肠杆菌染色体DNA释放出来，放射自显影，得到上图。非复制部分（C）银粒子密度较低，由一股放射性链和一股非放射性链构成。已复制部分站整个染色体的三分之二，其中一条双链（B）仅有一股链是标记的，另外一股双链（A）的两股链都是标记的，银粒子密度为前二者的两倍。染色体全长约为1100微米。ABC环状DNA的复制ABC原核生物DNA聚合反应有关的酶类（1）DNA聚合酶(DNApolymerase)（2）引物酶(primase)和引发体(primosome)：启动RNA引物链的合成。(3）DNA连接酶（DNAligase）（4）DNA解链酶(DNAhelicase)(5）单链结合蛋白(single-strandbindingprotein,SSB)：结合在解开的DNA单链上，防止重新形成双螺旋。(6）拓扑异构酶(topoisomerase):兼具内切酶和连接酶活力，能迅速将DNA超螺旋或双螺旋紧张状态变成松驰状态，便于解链。解旋酶DNA聚合酶III解链酶RNA引物引物酶和引发体DNA聚合酶ISSB3´3´5´3´5´5´RNA引物DNA聚合酶催化的链延长反应5´RNA引物子链3´3´5´5´3´3´5´5´3´3´5´模板链大肠杆菌三种DNA聚合酶比较DNA聚合酶Ⅱ分子量每个细胞的分子统计数5´-3´聚合酶作用3´-5´核酸外切酶作用5´-3´核酸外切酶作用转化率DNA聚合酶Ⅰ109，000400+++1120，000100++-0.05400，00010-20++-50比较项目DNA聚合酶III切除引物修复修复复制功能1999年发现聚合酶IV和V，它们涉及DNA的错误倾向修复（errorpronerepair）DNA聚合酶的3´-5´外切酶水解位点3´3´5´5´错配碱基3´-5´核酸外切酶水解位点DNA聚合酶5´-3´外切酶活力5´-3´核酸外切酶水解位点单链缺口5´大肠杆菌DNA聚合酶Ⅲ全酶的结构和功能延长因子DNA聚合酶Ⅲ两个亚基夹住DNADNA聚合酶Ⅲ异二聚体核心酶校对引物的结合和识别促使核心酶二聚化连接酶连接切口Mg2+连接酶ATP或NAD＋AMP+PPi或NMN+AMPATCGPTTPPPAACCTGAPACPPPPOHTGGATCGPTTPPPAACCTGAPACPGGP缺口3'3'5'5'5'5'3'3'模板链模板链DNA的双向和单向复制环状DNA复制时所形成的Q结构起始点复制叉的推进复制叉起始点起始点起始点复制叉复制叉未复制DNA单向复制双向复制大肠杆菌复制起点成串排列的重复序列GATCTNTTNTTT成串排列的三个13bp序列共有序列共有序列TTATCCACADnaA蛋白结合位点四个9bp序列DnaADnaB(解螺旋酶)SSB大肠杆菌DNA复制起点在起始阶段的结构模型原核细胞DNA的半不连续复制复制过程复制叉的移动方向解旋酶DNA聚合酶III解链酶RNA引物引物体DNA聚合酶ISSB3´3´5´前导链随后链3´5´复制的起始DNA链的延长DNA链终止5´RNA引物3´3´聚合酶III核心酶大肠杆菌复制体结构示意图聚合酶I聚合酶III核心酶滞后链前导链解螺旋酶引物合成酶RNA引物引发体拓扑异构酶II-夹子-聚体-夹子-复合物RNA引物单链结合蛋白（SSB）大肠杆菌染色体复制的终止oric复制叉2复制叉1终止复制叉2终止复制叉1复制叉1复制叉2完成复制DNA拓扑异构酶连锁染色体复制叉处前导链和随后链同时合成的工作模型聚合酶III全酶引物聚合酶III全酶引物引物体引物体解旋酶解旋酶复制的忠实性DNA复制过程是一个高度精确的过程，据估计，大肠杆菌DNA复制5109碱基对仅出现一个误差，保证复制忠实性的原因主要有以下三点:DNA聚合酶的高度专一性（严格遵循碱基配对原则，但错配率为710-6）DNA聚合酶的校对功能（错配碱基被3’-5’外切酶切除）起始时以RNA作为引物DNA聚合酶的校对功能5´-核酸外切酶3´-核酸外切酶裂缝聚合中心裂缝内部DNA聚合酶的校对功能聚合酶错配硷基复制方向正确核苷酸5´5´5´3´3´3´切除错配核苷酸起始时以RNA作为引物的作用DNA复制为什么要合成一个RNA引物，而后又把这个引物消除呢？这是保证DNA聚合过程高度精确的又一措施。已知DNA聚合酶具有35外切酶功能校对复制过程中的核苷酸，也就是说聚合酶在开始形成一个新的磷酸二酯键前，总是检查前一个碱基是否正确，这就决定了它不能从头开始合成。因此先合成一条低忠实性的多核苷酸来开始DNA的合成，并以核糖核苷酸来表示是“暂时”的，当DNA开始聚合以后再以53外切酶的功能切除，以高忠实性的脱氧核苷酸取而代之，确保复制的忠实性。真核细胞DNA复制的特点多个起点复制起点起点起点起点起点起点真核生物的DNA聚合酶端粒（telemere）复制真核生物的DNA聚合酶DNA聚合酶分子量亚基数细胞内分布酶活力百分比外切酶活力DNA聚合酶110-23，000多个细胞核～80%无120，000一个细胞核和线粒体2～15%无-400，000一个细胞核+10～25%5-3外切酶DNA聚合酶DNA聚合酶45，000一个细胞核10～15%无端粒酶（telomerase）DNA复制需要引物，但在线形DNA分子末端不可能通过正常的机制在引物被降解后合成相应的片段.如果没有特殊的机制合成末端序列，染色体就会在细胞传代中变得越来越短。这一难题是通过端粒酶的发现才得到了澄清，端粒酶是一种含RNA的蛋白复合物，实质上是一种逆转录酶，它能催化互补于RNA模板的DNA片段的合成，使复制以后的线形DNA分子的末端保持不变。初步研究表明，人体中生殖细胞的端粒长度保持不变，而体细胞的端粒长度则随个体的老化而逐步缩短。对此的一个推论是：人的生殖细胞具端粒酶的活力，体细胞则否。这一问题的解决无疑会有助于对生命衰老的认识。5´3´AAAACCCCAAAACCCCCCA端粒酶端粒合成的一种模型3´5´TTTTGGGGTTTTG5´3´AAAACCCCAAAACCCCCCAAA3´5´TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTG5´3´AAAACCCCAAAACCCCCCAAATTGGGTGGGT3´5´AATTTTG5´3´AAAACCCCAAAACCCCCCAGTTTTG整合和杂交移位和再杂交端粒合成的完成TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTGGGGTTTT5´3´nAA3´TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTGGGGT5´3´TTCCCCTnAA3´TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTGGGGT5´3´TTAAAACCCCAAAACCCCAAAACCCCTn进一步加工继续延伸真核和原核DNA细胞复制比较第二节DNA的损伤与修复某些物理化学因子，如紫外线、电离辐射和化学诱变剂等，都有引起生物突变和致死的作用，其机理是作用于DNA，造成DNA结构和功能的破坏，称为DNA的损伤.DNA的修复主要有以下类型:暗修复四、诱导修复（SOS修复）一、光裂合酶修复二、切除修复三、重组修复DNA紫外线损伤的光裂合酶修复1、形成嘧啶二聚体2、光复合酶结合于损伤部位3、酶被可见光激活4、修复后酶被释放DNA的损伤和切除修复碱基丢失碱基缺陷或错配结构缺陷切开核酸内切酶核酸外切酶切除DNA聚合酶DNA连接酶AP核酸内切酶核酸外切酶切开切除修复连接糖苷酶插入酶碱基取代DNA的重组修复胸腺嘧啶二聚体复制核酸酶及重组蛋白修复复制DNA聚合酶DNA连接酶重组SOS反应的机制未诱导的细胞靶基因lexA基因被LexA蛋白质部分阻遏recA基因被LexA蛋白质部分阻遏（40个不同的位点被阻遏）LexA(阻遏物)RecA(辅蛋白酶)靶基因表达lexA靶基因表达但产物被分解recA大量表达RecA促使分解LexA诱导的细胞单链DNAATP第三节DNA的突变DNA分子中的核苷酸序列发生突然而稳定的改变，从而导致DNA的复制以及后来的转录和翻译产物随之发生变化，表现出异常的遗传特性，称为DNA的突变。它包括由于DNA损伤和错配得不到修复而引起的突变，以及由于不同DNA分子之间的交换而引起的遗传重组。二、诱变剂的作用碱基类似物(baseanalog)碱基修饰剂(basemodifier)嵌入染料(intercalationdye)紫外线(ultraviolet)和电离辐射(ionizingradiation)一、突变的类型碱基对的置换(substitution)移码突变(framesshiftmutation)DNA突变的类型-T-C-T-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-A-C-G-A-C-A-T-G-C-转换野生型基因-T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-T-G-A-C-A-T-G-C--T-C-T-T-C-T-G-T-A-C-G--A-G-A-A-G-A-C-A-T-G-C-颠换碱基对的置换(substitution)移码突变(framesshiftmutation)-T-C-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-插入-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-缺失AT第四节逆转录作用一、概念二、逆转录酶三、病毒逆转录过程四、逆转录的生物学意义扩充了中心法则有助于对病毒致癌机制的了解与真核细胞分裂和胚胎发育有关逆转录酶是分子生物学重要工具酶三种功能依赖DNA指导下的DNA聚合酶活力依赖RNA的DNA聚合酶活力核糖核酸酶H活力以RNA为模板合成DNA，这与通常转录过程中遗传信息从DNA到RNA的方向相反，故称为逆转录作用。逆转录过程中cDNA的合成依赖RNA的DNA聚合酶核糖核酸酶H活力依赖DNA的DNA聚合酶逆逆转录病毒的生活周期生活周期RNA衣壳被膜逆转录酶转录转译整合入宿主细胞染色体DNA进入细胞丢失被膜丢失衣壳逆转录RNARNAcDNA衣壳蛋白被膜蛋白逆转录酶第五节DNA的遗传重组DNA分子内或分子间发生遗传信息的重新组合，称为遗传重组(geneticrecombination)，或者基因重排(generearrangement)。重组产物称为重组体DNA(recombinantDNA)。重组的意义在于，它能迅速地增加群体的遗传多样性；使有利的突变与不利突变分开；通过优化组合积累有意义的遗传信息。此外，重组还参与了许多重要的生物学过程，它为DNA损伤或复制障碍提供修复机制。某些生物的基因表达受基因重组的调节，生物发育过程也受到基因加工的控制。一、同源重组（homologousrecombination）二、特异位点重组（site-specificrecombination）三、转座重组（transpositionalrecombination）