第10基因信息的传递

第三篇遗传信息的传递●概述●DNA的生物合成●RNA的生物合成●蛋白质的生物合成●基因表达的调控第一节概述Introduction●基因和基因表达●遗传信息的中心法则基因(gene)——生物活性产物编码的最小的DNA功能片段。其产物为各种RNA或蛋白质。基因三大特征：——携带遗传信息——能被复制——能突变基因表达(geneexpression)——DNA分子中的遗传信息通过转录和翻译合成出蛋白质的过程。基因和基因表达中心法则RNADNAProtein转录翻译TranscriptionTranslationReplication复制逆转录ReverseTranscriptionJuangRH(2004)BCbasics*DNA通过复制，将基因信息代代相传*DNA通过基因表达，决定蛋白质的结构、功能*RNA参与DNA遗传信息的表达*RNA也可作为某些病毒遗传信息的载体第13章DNA的生物合成DNABiosynthesis半保留复制参与复制的酶类及蛋白质因子DNA生物合成过程DNA损伤与修复逆转录复制(replication)是指遗传物质的传代，以母链DNA为模板合成子链DNA的过程。复制亲代DNA子代DNA第一节复制的基本规律BasicRulesofDNAReplication半保留复制DNA生物合成时，母链DNA解开为两股单链，各自作为模板按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。子代细胞的DNA，一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链则完全重新合成。两个子细胞的DNA都和亲代DNA碱基序列一致。这种复制方式称为半保留复制（semi-conservativereplication)。母链子链AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+母链DNA复制过程中形成的复制叉子代DNA子链继承母链遗传信息的几种可能方式全保留式半保留式混合式——实验结果支持半保留复制的设想。含重氮-DNA的细菌培养于普通培养液第一代继续培养于普通培养液第二代梯度离心结果密度梯度实验按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗传信息，体现了遗传的保守性。遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。半保留复制的意义原核生物复制时，DNA从起始点(origin)向两个方向解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为双向复制。双向复制复制方式A.环状双链DNA及复制起始点B.复制中的两个复制叉C.复制接近终止点(termination,ter)oriterABC真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子的复制。习惯上把两个相邻起始点之间的距离定为一个复制子(replicon)。复制子是独立完成复制的功能单位。5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’5’3’复制子3’真核生物每个染色体有多个起始点，是多起点双向复制。3535解链方向领头链(leadingstrand)随从链(laggingstrand)复制的半不连续性•顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链。•另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称为随从链。复制中的不连续片段称为岡崎片段(okazakifragment)。•领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制的半不连续性。第二节DNA复制的酶学TheEnzymologyofDNAReplication复制的反应体系底物(substrate):四种dNTPdATP,dGTP,dCTP,dTTP模板(template):解开成单链的DNA母链引物(primer):提供3-OH末端，使dNTP可依次聚合聚合酶(polymerase):依赖DNA的DNA聚合酶简写为DNA-pol其他的酶和蛋白质因子复制的化学反应(dNMP)n+dNTP→(dNMP)n+1+PPiDNA复制是核苷酸的聚合反应DNA新链生成需引物和模板；新链的延长只可沿5→3方向进行。——在聚合酶的作用下，一个核苷酸5’-P和相邻的核苷酸上核糖的3’-OH生成磷酸二酯键而逐一聚合形成多核苷酸链的过程。3’OH5’123456参与复制的酶类及蛋白质因子DNA聚合酶（DNA-pol）原核生物的DNA-pol真核生物的DNA-pol解螺旋酶与拓扑异构酶解螺旋酶DNA拓扑异构酶单链DNA接合蛋白引物酶DNA连接酶端粒酶全称：依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-dependentDNApolymerase)简称：DNA-pol活性：①53的聚合活性②核酸外切酶活性DNA聚合酶5´AGCTTCAGGATA3´|||||||||||3´TCGAAGTCCTAGCGAC5´35外切酶活性53外切酶活性?能切除突变的DNA片段。能辨认错配的碱基对，并将其水解。核酸外切酶活性（1）DNA-polⅠ（2）DNA-polⅡ（3）DNA-polⅢ原核生物的DNA聚合酶可能不可能可能基因突变后的致死性无无有5→3核酸外切酶活性20？400分子数/细胞多亚基不对称二聚体？单肽链组成250120109分子量(kD)DNA-polIIIDNA-polIIDNA-polI可能不可能可能基因突变后的致死性无无有5→3核酸外切酶活性20？400分子数/细胞多亚基不对称二聚体？单肽链组成250120109分子量(kD)DNA-polIIIDNA-polIIDNA-polI单一多肽链从N端到C端有3个酶促活性结构域依次排列：5’→3’外切酶3’→5’外切酶、DNA聚合酶。在蛋白酶的作用下，可分为大、小两个片段。功能：对复制中的错误进行校读；对复制和修复中出现的空隙进行填补。（1）DNA-polⅠ（109kD）323个氨基酸小片段5核酸外切酶活性大片段/Klenow片段604个氨基酸DNA聚合酶活性5核酸外切酶活性N端C端木瓜蛋白酶DNA-polⅠ•Klenow片段是实验室合成DNA，进行分子生物学研究中常用的工具酶。DNA-polI在活细胞内的功能1）5’→3’聚合酶的活性：对复制和修复中出现的空隙进行填补。2）3’→5’外切酶活性：对复制中错误即时校读，保证复制的准确性。3）5’→3’外切酶活性：可去除RNA引物和突变碱基。（2）DNA-polⅡ（120kD）DNA-polII基因发生突变，细菌依然能存活。5’→3’聚合酶活性3’→5’外切酶活性无5’→3’外切酶活性只是在无polI及polⅢ的情况下才起作用，真正的功能也未完全清楚，可能参与DNA损伤的应急修复。（3）DNA-polⅢ（250kD）原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。10种亚基组成不对称异源二聚体核心酶α亚基：5’→3’聚合酶活性ε亚基：3’→5’外切酶活性和碱基选择功能，复制保真性所需θ亚基:可能起组装作用β亚基：夹稳模板链并使酶沿模板链滑动γ－复合物：促进全酶组装至模板及增强核心酶活性DNA-polⅢ在活细胞内的功能1）5’→3’聚合酶的活性：是在复制延长中真正催化新链核苷酸聚合的酶。2）3’→5’外切酶活性：对复制中错误进行即时校读，保证复制的准确性。催化DNA聚合参与DNA损伤的应急状态修复修复合成、切除引物、填补空隙功能2040400分子数/细胞1011亚基数－－+5外切酶活性+++5外切酶活性+++5聚合酶活性polIIIpolIIpolIE.coli中的DNA聚合酶DNA-pol起始引发，有引物酶活性。延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。参与低保真度的复制。复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。在线粒体DNA复制中起催化作用。DNA-polDNA-polDNA-polDNA-pol真核生物的DNA聚合酶真核生物的DNA聚合酶填补引物空隙，切除修复，重组延长子链的主要酶，解螺旋酶活性线粒体DNA复制低保真度的复制起始引发，引物酶活性功能+++--3→5核酸外切酶活性高高高？中5→3聚合活性25.512.514.04.016.5分子量（kD）εδγβαDNA-pol填补引物空隙，切除修复，重组延长子链的主要酶，解螺旋酶活性线粒体DNA复制低保真度的复制起始引发，引物酶活性功能+++--3→5核酸外切酶活性高高高？中5→3聚合活性25.512.514.04.016.5分子量（kD）εδγβαDNA-pol•复制按照碱基配对规律进行，是遗传信息能准确传代的基本原理。•复制保真性的酶学机制：（一）DNA-pol的核酸外切酶活性和及时校读（二）复制的保真性和碱基选择复制保真性的酶学依据A：DNA-pol的外切酶活性切除错配碱基；并用其聚合活性掺入正确配对的底物。B：碱基配对正确，DNA-pol不表现活性。（一）DNA-pol的核酸外切酶活性和及时校读（二）复制的保真性和碱基选择•DNA聚合酶靠其大分子结构协调非共价（氢键）与共价（磷酸二酯键）键的有序形成。•嘌呤的化学结构能形成顺式和反式构型，与相应的嘧啶形成氢键配对，嘌呤应处于反式构型。DNA复制的精确度极高，误差率很低，以保证物种在维持遗传保守性的同时，还要通过变异不断进化。DNA复制的高度忠实性至少要依赖三种机制：1、遵守严格的碱基配对规律；2、DNA聚合酶在复制延长中对碱基的选择功能；3、复制出错时，DNA聚合酶的即时校读功能。复制的高保真性解螺旋酶与拓扑异构酶在复制起始时需要多种酶和蛋白因子，解开、理顺DNA链，维持DNA在一段时间内处于单链状态。解螺旋酶DNA拓扑异构酶单链DNA接合蛋白引物酶DNA连接酶端粒酶解螺旋酶DNA分子的碱基埋在双螺旋内部，只有把DNA解成单链，它才能起模板作用。解螺旋酶：利用ATP供能，作用于氢键，使DNA双链解开成为两条单链.解螺旋酶ATP(helicase)DNA拓扑异构酶(DNAtopoisomerase)108局部解链后改变DNA拓扑性质的酶，又称旋转酶或转轴酶。拓扑异构酶Ⅰ拓扑异构酶Ⅱ•分类解链过程中正超螺旋的形成拓扑异构酶Ⅰ切断DNA双链中一股链，使DNA解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，DNA变为松弛状态。反应不需ATP。拓扑异构酶Ⅱ切断DNA分子两股链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。利用ATP供能，连接断端，DNA分子进入负超螺旋状态。•作用机制拓扑异构酶作用特点既能水解、又能连接磷酸二酯键单链DNA结合蛋白单链DNA结合蛋白——在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整(singlestrandedDNAbindingprotein,SSB)引物酶引物酶——复制起始时催化生成RNA引物的酶(primase)DNA聚合酶不能从游离的核苷酸开始合成DNA链，只能延长已有的DNA或RNA引物链。引物酶在复制起始时催化引物合成，提供3-OH末端，使DNA-pol能够催化dNTP聚合。引物酶属DNA指导的RNA聚合酶，但不同于催化转录过程的RNA聚合酶。在E.coli，引物酶是dnaG基因的产物DnaG。DNA连接酶连接DNA链3-OH末端和相邻DNA链5-P末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。POO-O-OHO5’POO-O-O3’3’5’DNA连接酶ATPADP5’3’5’3’端粒酶端粒(telomere)指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。结构特点由末端单链DNA序列和蛋白质构成。末端DNA序列是多次重复的富含G、C碱基的短序列。端粒的功能维持染色体的稳定性维持DNA复制的完整性TTTTGGGGTTTTGGGG…端粒酶的催化延长作用爬行模型DNA聚合酶复制子链进一步加工端粒和端粒酶的生物学意义端粒酶的活性与细胞的生长、繁殖、衰老凋亡以及肿瘤的发生密切相关。端粒的平均长度随细胞分裂次数的增多及