1、這就是這就是19581958年年Crick Crick 提出的中心法則提出的中心法則。DNADNARNA蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)復制轉(zhuǎn)錄翻譯酶酶mRNA tRNA rRNA親代子代RNA 復制逆轉(zhuǎn)錄?第1頁/共97頁問: :1. 1. 親代是如何把遺傳信息傳遞給子代的？2. DNA2. DNA上的遺傳信息是如何轉(zhuǎn)錄到RNARNA上的？3. mRNA3. mRNA上所帶信息是如何翻譯成蛋白質(zhì)的？第2頁/共97頁 . . 核酸的生物合成 14.1 14.1 DNADNA的生物合成 14.2 RNA14.2 RNA的生物合成15. 15. 蛋白質(zhì)的生物合成16. 16. 基因表達調(diào)控講 解 內(nèi) 容第3頁/共97

2、頁14.1 14.1 DNADNA的生物合成的生物合成( (重點重點) )14.2 14.2 RNARNA的生物合成的生物合成( (重點重點) )14.3 14.3 核酸合成抑制劑（自學）核酸合成抑制劑（自學）14.4 14.4 基因工程簡介（自學）基因工程簡介（自學）14 14 核酸的生物合成第4頁/共97頁14.1 DNA的生物合成14.1.1 DNA的復制（DNA指導下的DNA合成）14.1.2 逆轉(zhuǎn)錄作用（RNA指導下的DNA的合成）14.1.3 DNA的損傷、修復與突變第5頁/共97頁Watson & Crick:Watson & Crick: 一種遺傳物質(zhì)，必須能行使兩種 功能，即

3、自我復制和對細胞的高 度特異性的影響遺傳物質(zhì)的基本屬性：基因的自我復制基因的自我復制 基因的突變基因的突變 控制性狀的表達控制性狀的表達第6頁/共97頁14.1.1 DNA的復制 一、復制的基本規(guī)律 二、DNA聚合反應(yīng)有關(guān)的酶類 三、原核細胞DNA的復制過程 四、DNA復制的忠實性 五、真核細胞DNA的復制第7頁/共97頁一、復制的基本規(guī)律 復制（replication）? 以親代DNA分子的雙鏈為模板，按照堿基互補配對原則，合成出與親代DNA分子完全相同的2個雙鏈DNA分子的過程。第8頁/共97頁DNA復制的基本規(guī)律方式：半保留復制(semi-conservative replication

4、)方向：雙向復制(bidirectional replication)特點：半不連續(xù)復制 (semi-discontinuous replication) 高保真性(high fidelity)第9頁/共97頁DNA復制可能的三種方式第10頁/共97頁(一）半保留復制的實驗依據(jù)和意義 什么叫半保留復制？ DNADNA生物合成時，母鏈DNADNA解開為兩股單鏈，各自作為模板(template)(template)按堿基配對規(guī)律，合成與模板互補的子鏈。子代細胞的DNADNA，一股單鏈從親代完整地接受過來，另一股單鏈則完全從新合成。兩個子細胞的DNADNA都和親代DNADNA堿基序列一致。這種復制方

5、式稱為半保留復制。第11頁/共97頁AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+親代親代DNADNA 復制叉復制叉子代子代DNA DNA DNA的半保留復制的半保留復制第12頁/共97頁由MeselsonMeselson和StahlStahl設(shè)計證明半保留復制的實驗的被譽為生物學最美麗的實驗Testing Models for DNA replication第13頁/

6、共97頁Meselson Meselson 和StahlStahl證明DNADNA半保留復制的實驗流程（19581958）- -同位素示蹤實驗第14頁/共97頁第15頁/共97頁Meselson 和Stahl的實驗結(jié)果第16頁/共97頁The Replication of DNA in Eschrichia coli . Matthew Meselson Franklin Stahl Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 1958 , 44: 671-682美國自然科學研究院學報美國自然科學研究院學報 1958

7、1958，4444：671671682682第17頁/共97頁Matthew Meselson and Franklin Stahl more recentlyFaculty member at HarvardMechanisms of Molecular EvolutionFaculty member at U. of OregonMeiotic Recombination第18頁/共97頁半保留復制的生物學意義 按半保留復制方式，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。 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19頁/共97頁

8、（二）雙向性原核生物復制時，DNA從起始點(origin)向兩個方向解鏈，形成兩個延伸方向相反的復制叉，稱為雙向復制。 復制中的放射自顯影圖象第20頁/共97頁復制叉的結(jié)構(gòu)當DNADNA復制從起始區(qū)起動的時候，起始區(qū)的DNADNA雙鏈因發(fā)生解鏈而形成叉狀結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)被稱為復制叉 第21頁/共97頁（三）、復制的半不連續(xù)性（三）、復制的半不連續(xù)性3 5 3 5 解鏈方向解鏈方向3 533 5 領(lǐng)頭鏈領(lǐng)頭鏈(leading strand)隨從鏈隨從鏈(lagging strand) 岡崎片段（Okazaki fragment）第22頁/共97頁二、參與大腸桿菌DNA復制的酶類復制過程參加物質(zhì)原

9、料：dNTP條件：供能 ATP Mg2+模板：DNA酶引物體內(nèi)：RNA體外：DNA單鏈結(jié)合蛋白等 過程：DNADNA復制是多種蛋白質(zhì)和酶參與的復雜過程。DNADNA聚合酶引物酶解螺旋酶連接酶拓撲異構(gòu)酶第23頁/共97頁兩個特點：DNA DNA 新鏈生成需引物和模板； 新鏈的延長只可沿5 5 3 3 方向進行 。第24頁/共97頁（一）DNA聚合酶（DNA polymerase） 種類：原核 真核第25頁/共97頁DNA聚合酶(DNA-pol)這類酶的共同性質(zhì):1.1.以脫氧核苷三磷酸(dNTP)(dNTP)為前體催化合成DNA;DNA;2.2.需要模板，按堿基互補原則合成子鏈; ;3.3.需要

10、引物，不能起始合成新的DNADNA鏈; ;催化dNTPdNTP加到生長中的DNADNA鏈的3-OH3-OH末端; ;4.4.催化DNADNA合成的方向是5353；第26頁/共97頁模板；引物；dNTP；合成方向；反應(yīng)可逆；Mg2+；DNA-pol作用：催化兩個dNTP 生成磷酸二酯鍵反應(yīng)：53 的聚合活性指出： DNA-pol還具有核酸外切酶活性第27頁/共97頁5 A G C T T C A G G A T A 3 | | | | | | | | | | |3 T C G A A G T C C T A G C G A C 5 3 5 外切酶活性外切酶活性 5 3 外切酶活性外切酶活性?能切

11、除突變的能切除突變的 DNA片段。片段。能辨認錯配的堿基對，并將其水解。能辨認錯配的堿基對，并將其水解。 核酸外切酶活性 第28頁/共97頁第29頁/共97頁Arthur Kornberg (1958)大腸桿菌細胞蛋白質(zhì)提取物+DNA模板有無DNA合成?- dNTPs- Mg2+ (輔助因子)- ATP (能源)- 游離的3OH端 (引物)體外測定DNA復制純化得到DNA聚合酶I Stanford University Stanford University Stanford, CA, USAStanford, CA, USA The Nobel Prize in Physiology or

12、Medicine 1959（揭示人類DNA合成機制 ）第30頁/共97頁DNA pol ：作用：1. 1. 對復制中的錯誤進行校讀和切除； 2. 2. 填補復制和修復過程中出現(xiàn)的空隙；DNA大片段：核苷酸聚合枯草桿菌PrPr酶（Mw 7.6萬）(Klenew Frament)小片段： 5533外切（ Mw 3.4萬） Pol第31頁/共97頁DNA-pol （109kD）A AP P為1818個 螺旋區(qū)，H H和I I之間由較大的非螺旋區(qū)連接。第32頁/共97頁小片段小片段 大片段大片段（Klenow fragmentKlenow fragment）5 533聚合功能，聚合功能，3 355外切

13、酶活性外切酶活性5 533外切酶活性外切酶活性DNA pol IEJPNMLHIORQGCDBFAK第33頁/共97頁DNA pol II 1970年分離得到； 聚合酶活性：2400base/min； 100分子/cell； 有35核酸外切酶活性， 沒有53核酸外切酶活性； 在DNA repair 中起作用；第34頁/共97頁DNA pol III“真正”的大腸桿菌DNA復制酶快：1 000nt/秒/酶 酶量合適精確其結(jié)構(gòu)十分復雜!第35頁/共97頁 DNA 聚合酶不對稱二聚體 第36頁/共97頁 十種亞基（）組成的不對稱二聚體。組成核心酶，2稱為夾子，（2）組成復合物，其主要功能是幫助亞基夾

14、住DNA，故稱為夾子裝配器，該酶DNA合成的持續(xù)能力強，主要與該結(jié)構(gòu)有關(guān)。DNA-pol (250kD)第37頁/共97頁DNADNA聚合酶IIIIII全酶的滑動鉗夾住雙螺旋DNADNA 第38頁/共97頁原核生物的三種原核生物的三種DNADNA聚合酶性質(zhì)比較表聚合酶性質(zhì)比較表 種 類 Pol 作 用 修復 （10/秒） 修復（秒） 復制 （150/秒, 10萬 /分） 活 性 2 3功 能 催化兩個dNTP 聚合生成3,5-磷酸二酯鍵Mw/103 102 880 830 外 切 35 外 切 53 分子數(shù)/細胞 400 100 20（活性比大20倍）第39頁/共97頁真核生物的DNA聚合酶D

15、NA聚合酶聚合酶催化活性催化活性功功 能能5353聚合聚合3535核酸外切核酸外切5353核酸外切核酸外切真真核核生生物物DNADNA聚合聚合酶酶 切去引物切去引物RNARNA，補上，補上正確的正確的DNADNA片段片段DNADNA聚合聚合酶酶 DNADNA聚合聚合酶酶g g 負責鏈的延長負責鏈的延長DNADNA聚合聚合酶酶 負責先導鏈的延長負責先導鏈的延長第40頁/共97頁（二）引物酶(primase)復制起始時催化生成RNA引物的酶是一種特殊的RNA聚合酶 該酶以DNADNA為模板，合成一段RNARNA引物。DNADNA復制在該引物上加入dNTPdNTP。第41頁/共97頁RNARNA聚合

16、酶DNADNA模板RNARNA引物NTPNTP Primase Primase（引物酶）答：因為DNA polDNA pol不能催化兩個游離的dNTPdNTP聚合。問：為什么引物不可以是DNADNA？第42頁/共97頁第43頁/共97頁（三） DNA連接酶(DNA ligase)v催化DNADNA雙鏈中一條鏈上的缺口（3-OH 3-OH 與它下游相鄰的核苷酸的 5-5-磷酸之間）共價連結(jié)（形成磷酸二酯鍵）。35535353HOP DNA ligaseNADATPNMNAMP+PPi+ DNA DNA連接酶在DNADNA復制、損傷修復、重組等過程中起重要作用。第44頁/共97頁（四）解旋酶 (h

17、elicase)作用：利用ATPATP供能，作用于氫鍵，使DNADNA雙鏈解開成為兩條單鏈. .大腸桿菌DnaBDnaB蛋白的解旋酶活性 第45頁/共97頁（五）單鏈DNA結(jié)合蛋白（single stranded binding protein，SSB） 作用：防止單鏈DNA重新形成雙鏈，防止單鏈DNA被核酸酶水解。 特點：四聚體，DNA跨度32bp,呈協(xié)同效應(yīng)，不斷的結(jié)合和解離。第46頁/共97頁第47頁/共97頁（六）DNA拓撲異構(gòu)酶 (DNA topoisomerase) 已知：在生物體內(nèi)，DNA以超螺旋的形式存在。 問：復制時，超螺旋時如何打開的？ 拓撲異構(gòu)酶起著重要的作用 復制時，D

18、NA解鏈沿中心軸反向旋轉(zhuǎn)，因為復制速度快，旋轉(zhuǎn)也快（100次/秒），易導致DNA出現(xiàn)：打結(jié)、纏繞和連環(huán)。第48頁/共97頁第49頁/共97頁DNADNA復制過程中形成的正超螺旋 第50頁/共97頁 拓撲異構(gòu)酶作用特點 既能水解 、又能連接磷酸二酯鍵 分 類 拓撲異構(gòu)酶 拓撲異構(gòu)酶第51頁/共97頁第52頁/共97頁 三、 原核細胞的DNADNA復制過程（一）. 復制的起始（Initiation）（二）. 復制的延伸（Elongation）（三）. 復制的終止（Termination）第53頁/共97頁（一） 、 復制的起始解決兩個問題解決兩個問題1. DNA解開成單鏈，提供模板。解開成單鏈，提

19、供模板。2. 合成引物，提供合成引物，提供3 -OH末端。末端。第54頁/共97頁（一） 復制的起始1 1、DNADNA解成單鏈 由特定蛋白質(zhì)識別復制起始位點（oriori），在解螺旋酶、TOPOTOPO異構(gòu)酶及單鏈DNADNA結(jié)合蛋白的共同作用下，DNADNA解鏈，解旋，形成復制叉。 倒Y第55頁/共97頁雙向復制雙向復制單向復制單向復制第56頁/共97頁理順理順DNA鏈鏈拓撲異構(gòu)酶拓撲異構(gòu)酶 (gyrA, B)穩(wěn)定已解開的單鏈穩(wěn)定已解開的單鏈單鏈單鏈DNA結(jié)合蛋白結(jié)合蛋白SSB催化催化RNA引物生成引物生成引物酶引物酶DnaG (dnaG)運送和協(xié)同運送和協(xié)同DnaBDnaC (dnaC)

20、解開解開DNA雙鏈雙鏈解螺旋酶解螺旋酶DnaB (dnaB)辨認起始點辨認起始點DnaA (dnaA)蛋白質(zhì)（基因）蛋白質(zhì)（基因）通用名通用名功能功能原核生物復制起始的相關(guān)蛋白質(zhì)原核生物復制起始的相關(guān)蛋白質(zhì)第57頁/共97頁 Dna A Dna BDNA拓撲異構(gòu)酶拓撲異構(gòu)酶引物引物酶酶SSB3 5 3 5 2 2. . 引發(fā)體和引物的生成含有解旋酶、DnaCDnaC蛋白、引物酶和DNADNA復制起始區(qū)域的復合結(jié)構(gòu)稱為引發(fā)體。 解旋酶解開雙鏈后引物酶進入形成引發(fā)體。（解旋酶）Dna C第58頁/共97頁3 5 3 5 引物是由引物酶催化合成的短鏈RNARNA分子。 引物3 HO5引物引物酶酶原核

21、（50-100bp），真核（10bp）合成引物第59頁/共97頁大腸桿菌復制起始模型第60頁/共97頁（二）DNA鏈的合成與延伸 引物合成后，由DNA polDNA pol（在真核細胞為DNA polDNA pol 和 ) )催化，按堿基配對原則，將dNMPdNMP逐一添加到引物3 3 末端，形成磷酸二酯鍵，使新合成的鏈不斷延長。3AAGACCTATT55TTCTGGATAA3第61頁/共97頁 5 5 3 35 5dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH 33 3DNA-pol第62頁/共97頁 DNA DNA鏈的延伸 在在DNA pol DNA pol 的催化下

22、，以四種的催化下，以四種dNTPdNTP為底物，在為底物，在RNARNA引物的引物的33端以磷酸二酯鍵連接上端以磷酸二酯鍵連接上dNTPdNTP并釋放出焦磷酸。并釋放出焦磷酸。DNADNA鏈的延伸同鏈的延伸同時進行時進行前導鏈前導鏈和和后隨鏈后隨鏈的合成。兩條鏈方向相反。的合成。兩條鏈方向相反。5353Direction ofunwindingContinuous replication53PrimerPrimer53Primer53Discontinuous replication第63頁/共97頁DNA replication is semi-discontinuous前導鏈后隨鏈第64頁

23、/共97頁DNA 的半不連續(xù)復制： Okazakis (1968)； Reiji Okazaki was born near Hiroshima, Japan, in 1930. He was a teenager there at the time of the explosion of the first of two nuclear bombs that the US dropped at the end of World War II. His scientific career was cut short by his untimely death from cancer in 19

24、75 at the age of 44, perhaps related to his exposure to the fallout of that blast.semi-discontinuous第65頁/共97頁在復制叉中不連續(xù)合成的DNADNA片段稱為岡崎片段，連續(xù)合成的DNADNA子鏈被稱為前導鏈，不連續(xù)合成的DNADNA子鏈被稱為后隨鏈或后隨鏈。 第66頁/共97頁岡崎片段引物的切除、缺口的填補和切口的連接岡崎片段引物的切除、缺口的填補和切口的連接:DNA聚合酶I（ 53 外切酶的功能）DNA連接酶第67頁/共97頁（三）復制的終止 原核生物基因是環(huán)狀原核生物基因是環(huán)狀DNA，雙向

25、復制的復制，雙向復制的復制片段在復制的終止點片段在復制的終止點(ter)處匯合。處匯合。第68頁/共97頁子代DNADNA的分離 第69頁/共97頁四、DNA復制的精確性（高保真復制） DNA復制過程是一個高度精確的過程，據(jù)估計，大腸桿菌DNA復制5 109堿基對僅出現(xiàn)一個誤差，保證復制忠實性的原因主要有以下幾點:1 1、 DNADNA聚合酶的高度專一性（嚴格遵循堿基配對原則，但錯配率為7 7 1010-6-6 ）2 2、DNADNA聚合酶的3535外切酶活性的校對功能，使堿基的錯配幾率又降低10010010001000倍。3 3、起始時以RNARNA作為引物。4 4、 DNADNA的損傷修復

26、系統(tǒng)。第70頁/共97頁DNA聚合酶的校對功能聚合酶錯配堿基復制方向正 確核苷酸5 55 55 53 33 33 3切除錯配核苷酸第71頁/共97頁復制過程小結(jié)復制過程小結(jié)7. DNA聚合酶I切除引物；填補空隙；8.連接酶連接。1. DnaA識別并結(jié)合于復制起始點（Ori），促使局部解鏈。在DnaC協(xié)助下結(jié)合并沿鏈方向移動置換出DnaA，形成復制叉。3. SSB結(jié)合于解開的DNA單鏈。4.形成引發(fā)體（DnaB，DnaC，引物酶和局部DNA）。 ATP供能下合成RNA引物。5. Topo異構(gòu)酶解除打結(jié)及纏繞，形成利于復制的負超螺旋。6. DNA聚合酶沿5 3方向合成新鏈。半不連續(xù)復制。領(lǐng)頭鏈；隨

27、從鏈形 成岡崎片段。直至Termination而終止。第72頁/共97頁五、 真核細胞的DNA復制 （一）復制的起始（二）復制的延長（三）復制的終止染色體兩端DNADNA子鏈上最后復制的RNARNA引物，去除后留下空隙該如何填補？自學自學內(nèi)容內(nèi)容注意：原核生物注意：原核生物 的的DNADNA是環(huán)狀雙鏈；是環(huán)狀雙鏈； 真核生物為線狀雙鏈真核生物為線狀雙鏈DNADNA。已知：DNADNA聚合酶不能催化兩個游離的dNTPdNTP聚合，而且DNADNA單鏈的母鏈還易被DNaseDNase水解。第73頁/共97頁5 3 3 5 5 3 3 5 問：線性DNADNA分子如何避免每復制一次末端就 縮短一次？

28、5 3 3 +3 3 5 5 第74頁/共97頁真核生物的端粒和端粒酶真核生物DNADNA末端結(jié)構(gòu)是端粒，在端粒酶的作用下形成 。（TTAGGG）n(telomere and telomerase)第75頁/共97頁 端粒端粒(telomere)指真核生物染色體線性指真核生物染色體線性DNA分子末端的結(jié)構(gòu)。分子末端的結(jié)構(gòu)。功能 維持染色體的穩(wěn)定性維持染色體的穩(wěn)定性 維持維持DNA復制的完整性復制的完整性結(jié)構(gòu)特點 由末端單鏈由末端單鏈DNA序列和蛋白質(zhì)構(gòu)成。序列和蛋白質(zhì)構(gòu)成。 末端末端DNA序列是多次重復的富含序列是多次重復的富含G的短序列。的短序列。TTTTGGGGTTTTGGGG第76頁/共

29、97頁端粒酶端粒酶(telomerase) 端粒酶是一種含RNA的蛋白復合物，實質(zhì)上是一種逆轉(zhuǎn)錄酶，它能催化互補于RNA模板的DNA片段的合成，使復制以后的線形DNA分子的末端保持不變。53AAAACCCCAAAACCCCCCA端粒酶第77頁/共97頁端粒酶的作用機理 第78頁/共97頁14.1.2 14.1.2 逆轉(zhuǎn)錄 以RNARNA為模板，dNTPdNTP為原料，按堿基配對規(guī)律合成DNADNA的過程稱之。由逆轉(zhuǎn)錄酶催化。逆轉(zhuǎn)錄（reverse transcriptionreverse transcription ） : :逆轉(zhuǎn)錄酶（reverse transcriptasereverse

30、transcriptase） 逆轉(zhuǎn)錄酶逆轉(zhuǎn)錄酶第79頁/共97頁逆轉(zhuǎn)錄病毒細胞內(nèi)的逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象RNA 模板模板逆轉(zhuǎn)錄酶逆轉(zhuǎn)錄酶DNA-RNA 雜化雙鏈雜化雙鏈RNA酶酶單鏈單鏈DNA逆轉(zhuǎn)錄酶逆轉(zhuǎn)錄酶雙鏈雙鏈DNA第80頁/共97頁逆轉(zhuǎn)錄酶逆轉(zhuǎn)錄酶 A AA A T T T TAAAASISI核酸酶核酸酶 DNA聚合酶聚合酶堿水解堿水解 T T T T分子生物學研究可應(yīng)用逆分子生物學研究可應(yīng)用逆轉(zhuǎn)錄酶，作為獲取基因工程目轉(zhuǎn)錄酶，作為獲取基因工程目的基因的重要方法之一，此法的基因的重要方法之一，此法稱為稱為cDNA法法 以以mRNA為模板，經(jīng)逆轉(zhuǎn)為模板，經(jīng)逆轉(zhuǎn)錄合成的與錄合成的與mRNA堿基序列互堿

31、基序列互補的補的DNA鏈。鏈。 試管內(nèi)合成cDNAcDNA complementary DNA 第81頁/共97頁 逆轉(zhuǎn)錄研究的意義 逆轉(zhuǎn)錄酶和逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象，是分子生物學研究中逆轉(zhuǎn)錄酶和逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象，是分子生物學研究中的重大發(fā)現(xiàn)。的重大發(fā)現(xiàn)。 逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象說明：至少在某些生物，逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象說明：至少在某些生物，RNA同樣同樣兼有遺傳信息傳代與表達功能。兼有遺傳信息傳代與表達功能。對逆轉(zhuǎn)錄病毒的研究，拓寬了對逆轉(zhuǎn)錄病毒的研究，拓寬了20世紀初已注意世紀初已注意到的病毒致癌理論。到的病毒致癌理論。 第82頁/共97頁14.1.3 DNA 損傷、修復和突變DNA Damage , Repair and Mutation 第83頁/共97頁 某些物理化學因子，如紫外線、電離輻射和化學誘變劑等，都有引起生物突變和致死的作用，其機理是作用于DNA，造成DNA結(jié)構(gòu)和功能的破壞，稱為DNA的損傷。DNA的修復主要有以下類型:暗修復四、誘導修復（SOS修復）一、光裂合酶修復二、切除修復三、重組修復 第84頁/共97頁引起損傷的因素引起損傷的因素ONHNOCH3RPONHNOC H3RONHNOC H3