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第34章DNA的复制和修复一、DNA复制(一)DNA的半保留复制亲代DNA分子每一条链各自作为模板,合成一条互补链,新合成的两条链中一条是旧链,一条为新链。1958年MatthewMesselsonandFranklinStahl用令人信服的实验证明了DNA的半保留复制机制(15N标记实验)半保留复制的意义何在?DNA复制模型DNA半保留复制P40715N14N(二)复制的起点和方式1、复制子:基因组能独立进行复制的单位称复制子。每个复制子都有控制复制起始的起点和复制终止的终点。大肠杆菌复制有一个固定的起点,向两个方向进行——复制叉。真核生物DNA是线性双链分子,含多个复制起点,是多复制子。2、DNA复制的几种方式:形——原核生物直线双向形——真核生物滚环式——噬菌体X174D型——线粒体大肠杆菌DNA的复制复制眼形成形结构DNA复制方式P411图34-8形双向直线双向形滚动环D环起点起点噬菌体X174:共价闭环(复制型)(二)DNA聚合反应的有关酶1、DNA聚合反应和聚合酶DNA聚合酶:首先在大肠杆菌发现。DNA聚合酶是DNA合成中起主要作用的酶,催化总反应:(dNMP)n+dNTP(dNMP)n+1+ppiDNA延伸的DNADNA聚合酶反应特点:(1)以四种dNTP为底物;(2)反应需要接受模板指导;(3)需有引物3’-OH存有(引物链);(4)要求有镁离子存在;(5)DNA链的生长方向为5’→3’;(6)产物DNA与模板互补。DNA的模板链和生长链亲电攻击2、大肠杆菌DNA聚合酶有5种,后两种1999年才发现。(1)DNA聚合酶I(DNAPolymeraseI、PolI)DNA聚合酶催化DNA合成的共同特点DNA聚合酶I具有5’3’聚合活性(低)3’5’外切酶活性(校阅作用)5’3’外切酶活性(RNA引物,嘧啶二聚体的切除)(2)DNA聚合酶II(DNAPolymeraseIIPolII)DNA聚合酶II具有5’3’聚合活性(低)3’5’外切酶活性(校阅作用)*修复酶DNA聚合酶I的3’5’和5’3’的外切酶活性DNA聚合酶I一条多肽上的三种酶活性(3)DNA聚合酶III(DNAPolymerasePolIII)DNA聚合酶III具有5’3’聚合活性(高)3’5’外切酶活性(校阅作用)*其催化DNA的合成速度与生长速度一致,是真正的,主要的DNA复制酶。(4)DNA聚合酶IV和V:DNA严重损伤时诱导产生,涉及DNA错误倾向复制。三种DNA聚合酶的比较P416表34-2大肠杆菌DNA聚合酶III的构成全酶由10种亚基组成:、、、、’、、、、、含有锌原子:5’3’聚合活性:3’5’核酸外切酶活性,具有保真作用:起组建核心酶作用核心酶::促使核心酶二聚化作用:两个亚基形成滑动夹子,提高酶的持续合成能力(’):帮助夹住DNA,称夹子装置器大肠杆菌PolIII全酶的结构示意图(V型)聚合活性校对功能组建核心酶每两个亚基形成滑动夹子,提高酶的持续合成能力亚基与模板的结合亚基形成一个围绕DNA的环状钳3、DNA连接酶DNA聚合酶只能延长,不能连接;DNA连接酶具有连接切口及粘性末端或平端功能能量来源:原核:NAD真核:ATP(四)冈崎片段和DNA半不连续复制1、前导链(LeadingStrand)后随链(LaggingStrand)2、冈崎片段:约1000-2000个Nt(原核)100-200(真核)3、半不连续复制:DNA复制时,一条链是连续的,另一条是不连续的,其先合成一些冈崎片段,然后再连接起来构成大的DNA片段,称为半不连续复制。引物?(一小段RNA,引物合成酶)(五)DNA复制的拓扑性质1、拓扑异构酶(Topoisomerase)TopoI型:使DNA的一条链发生断裂和再连接。TopoII型:能使DNA两条链同时断裂和再连接。可引入负超螺旋,消除复制叉前进进带来的扭曲张力,从而促进双链解开。需ATP。TopoIII型:与I型相似,功能相似。2、解螺旋酶(Helicase):将DNA双链解开。3、SSB蛋白(SingleStrandBindingProtein):稳定DNA解开的单链,阻止复性和保护单链部分不被核酸酶降解。(六)DNA复制的过程(原核)大肠杆菌染色体复制的三个过程:起始延伸终止1、起始(1)大肠杆菌复制起点核苷酸序列特征:起始点称为oriC,由245个bp构成,关键在于两组短的重复:三个13bp和四个9bp(2)DnaA蛋白是复制起始的关键蛋白:四个9bp序列为其结合位点,约20-40个DnaA结合于此,DNA缠于其上,形成起始复合物。P422图34-21(3)DnaB在DnaC蛋白帮助下结合于解链区,沿5’→3’方向移动,解开DNA双螺旋,解链还需拓扑异构酶II和SSB帮助。DnaB还能活化引物合成酶。大肠杆菌复制起点的核苷酸序列特征13bp9bp2、延伸:两条链合成均由DNA聚合酶III催化。(1)前导链合成:先由DnaG(引物合成酶)合成一段RNA引物(10-60Nt),然后与复制叉同步,一直连续合成。(2)后随链合成:需不断合成冈崎片段的RNA引物,DNA聚合酶III不断与模板脱开,然后在新的位置又与模板结合。引发体(Primosome):解螺旋酶,引物合成酶(DnaG),RNA引物。3、终止:复制在终止区停止,该区含多个约22bp的终止子。DNA复制叉上的蛋白质(酶)大肠杆菌复制体结构示意图SSBRNA引物解螺旋酶冈崎片段引物合成酶前导链上DNA聚合酶滞后链上DNA聚合酶大肠杆菌复制体结构示意图(七)真核生物DNA的复制1、真核生物有多个复制起点。2、复制速度比原核慢,基因组比原核生大。但多个复制起点分段复制。3、5种DNA聚合酶:分别为聚合酶:,,,和。复制由DNA聚合酶,共同完成,其中有引物合成能力,具有校正功能。DNA聚合酶相当于原核的DNA聚合酶I,具有修复功能。P425表34-5*具有端粒酶合成DNA端粒结构二、DNA损伤修复DNA损伤原因:1、化学诱变因素烷化剂、亚硝酸、嵌入剂2、物理诱变因素电离辐射(UV、X射线、射线);链断裂、交联、环打开3、紫外照射引起嘧啶二聚体的形成修复机制:1、错配修复:甲基化作用,核酸内、外切酶2、直接修复:光复活(光照射激活光复活酶)3、切除修复:(1)通过N-糖苷酶:识别并切除错误碱基(2)通过核酸酶切除酶:识别切除错误核苷酸片段4、重组修复5、SOS修复(一)错配修复1、DNA在复制过程中发生错配的新合成链可被纠正,存在着错配修复系统区分新旧链。2、Dam甲基化酶可使GATC序列中腺嘌呤N6位甲基化,复制后DNA在短期内(数分钟)为半甲基化的GATC,一旦发现错配碱基,即将未甲基化的链切去,并进行修复合成。3、参与错配修复的蛋白约12种多,有,核酸内切酶,核酸外切酶,解螺旋酶,SSB等。4、切除的链可长达1000个核苷酸以上,直至切去错配碱基。*甲基化作用,核酸内、外切酶甲基化与错配修复(正常情况)甲基化指导的错配修复MutS和MutL结合于错配碱基部位,沿DNA双链移动,遇到GATC序列停止。MutH结合于MutS和MutL复合体上,在未甲基化链GATC位点5’或3’端切开。由核酸外切酶切去错配碱基。甲基化指导的错配修复切开位置在错配碱基5’侧切开位置在错配碱基3’侧(二)直接修复1、紫外线照射使DNA分子中同一条链相邻间T和T之间形成二聚体(TT)(见下一张)(其它嘧啶二聚体少),影响双螺旋结构,阻碍复制和转录。2、其修复作用:(1)光修复:可见光照射,激活光复合酶进行修复作用(高等哺乳类无此酶)。(2)暗修复:高等动物:切除含嘧啶二聚体的核酸链,然后修复。*光照射激活光复活酶UV照射形成嘧啶(TT最常见)二聚体光修复(三)切除修复(复制前)1、切除修复:指在一系列酶的作用下,将DNA分子中受损部分切除,并以完整的那条链为模板,填补缺口,使DNA恢复正常结构。2、损伤形式:UMP的渗入AP位点的产生烷化剂修饰碱基嘧啶二聚体产生3、切除修复过程由核酸内切酶在损伤部位一侧切开切口,再由核酸外切酶将损伤位点附近DNA切除,由DNA聚合酶I(真核为DNA聚合酶E)修复和连接酶连接。核苷酸切除酶核苷酸片段损伤DNA聚合酶I(四)重组修复(复制后修复)•1、先复制,后修复。•2、复制时跳过损伤部位,子代链在该部位留下缺口。•3、遗传信息有缺损的DNA子链通过遗传重组加以弥补,即从同源DNA母链上将相应核苷酸序列片段移至子链缺口处,然后再合成补上母链空缺,称为重组修复。•P430图34-30(五)SOS修复(应急反应)•1、SOS反应是细胞DNA受到损伤或复制系统受抑制情况下,为求生存而出现的应急效应。•2、SOS反应诱导的修复系统包括:•(1)避免差错的修复:即诱导切除修复和重组修复中某些关键的酶和蛋白产生,加强修复能力。•(2)易产生差错修复:即诱导产生缺乏校对的DNA聚合酶IV和V,其缺乏3’核酸外切酶校对功能,于是DNA链损伤部位即使出现不配对碱基,复制继续进行,增加了错配存在机会。•3、SOS反应导致两个结果:DNA修复和物种变异。这时变异好或坏将会被自然选择。三、DNA突变•(一)突变的类型•1、碱基对的置换•转换:两种嘌呤或两种嘧啶之间的互换•颠换:嘌呤和嘧啶之间的互换•错义突变:三联体密码子发生突变导致蛋白质中原氨基酸被另一氨基酸代替•无义突变:氨基酸密码子变为终止密码子,导致翻译提前结束•同义突变:三联体密码子虽发生突变,但氨基酸不变•2、移码突变•由于一个或多个非三倍数的核苷酸对插入或缺失,使编码区该位点后的三联体密码子阅读框架改变,导致后面的氨基酸发生变化•(二)诱变剂的作用•自发突变:自然条件下发生突变。•诱变:在物理化学因子作用下碱基发生变化。•1、碱基类似物:均引起转换•5-溴尿嘧啶(BU):T的类似物,酮式时与A配对;烯醇式时与G配对,引起A-T与G-C的转变•2-氨基嘌呤(AP):A类似物,正常状态与T配对,亚氨基状态与C配对•2、碱基的修饰剂•亚硝酸羟胺烷化剂•3、嵌入染料•吖啶橙溴化乙锭•插入DNA碱基对之间,导致新合成的链发生核苷酸插入或缺失,造成移码突变•4、紫外线和电离辐射习题•岗崎片段复制体复制叉半保留复制暗修复有意义链•1958年Meselson和Stahl利用15N标记大肠杆菌DNA的实验首先证明了下哪一种机制?(D)•ADNA能被复制BDNA基因可转录为mRNA•CDNA基因可表达为蛋白质DDNA的半保留复制机制•EDNA的全保留复制机制•*DNA复制的延长过程中,会有下列现象ABC•A生成磷酸二酯键B生成岗崎片段•C合成RNA引物D核糖体聚合•下列关于原核生物与真核生物DNA复制中错误叙述是:C•A两者都需要RNA引物•B两者都要合成岗崎片段•C两者都有许多同时复制的起始点•D两者的合成方向都是5’→3’•E两者的复制都是半不连续的习题•端粒酶是属于:B•A限制性内切酶BDNA聚合酶CRNA聚合酶D肽基转移酶•*DNA复制酶系中的多功能酶有:C,D•A.真核细胞DNA聚和酶αB.真核细胞DNA聚和酶r•C.原核细胞DNA聚和酶ID.原核细胞DNA聚和酶П3•*有关冈崎片段下列描写哪项是对的?(CD)•A是因为DNA复制速度太快而产生•B由于复制中有缠绕打结而生成•C每个岗崎片段约含1000-2000个核苷酸•D在滞后链中产生E复制完成后,岗崎片段被水解•在DNA损伤切除修复中,有关酶的作用顺序是:(B)•ADNA连接酶---DNA聚合酶----核酸内切酶---外切核酸酶•B核酸内切酶----外切核酸酶----DNA聚合酶---DNA连接酶•CDNA聚合酶---DNA连接酶---外切核酸酶-----核酸内切酶•D核酸内切酶-----DNA聚合酶---DNA连接酶---外切核酸酶•EDNA连接酶-----核酸内切酶---DNA聚合酶----外切核酸酶习题•复制中,一个岗崎片段延长至第二个片段引
本文标题:DNA的复制和修复王镜岩
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