1、第三篇 基因信息的傳遞Genetic Information Transfer1基因的定義基因 (gene) 合成有功能的蛋白質多肽鏈或RNA所必需的全部核苷酸序列。一般是DNA序列（或RNA病毒中的RNA）。2一個典型的真核基因：結構基因：外顯子（編碼序列）、內含子（非編碼序列）及5-端和3-端非翻譯區(UTR) 調控序列：通常位于轉錄起始點上游基因 結構基因 調控序列3基因組(genome)是指一種生物體中的整套遺傳信息，一般為一個受精卵或一個體細胞的細胞核中所有DNA分子的總和。特定生物體的整套(單倍體)遺傳物質的總和?；蚪M的大小用全部DNA的堿基對總數表示。人的基因組的大?。?310

2、9bp4人類基因組特點20000 25000 蛋白編碼基因及大量非編碼的RNA基因，基因的分布不均勻 重復序列 40%蛋白編碼區及非編碼區均存在大量高度保守序列存在許多segmental duplications存在幾百萬個單核苷酸多態性（SNPs)位點，已發現 300萬 500萬個 SNPs56DNA的生物合成DNA復制的基本規律DNA復制的酶學DNA復制的一般過程逆轉錄和其他復制方式DNA損傷與修復7是指遺傳物質的傳代，以母鏈DNA為模板合成子鏈DNA的過程。復制親代DNA子代DNADNA復制(DNA replication)81 DNA復制的基本規律半保留復制是DNA復制的基本特征雙向復

3、制復制具有半不連續性DNA合成起始時需要引物復制具有高保真性91.1 半保留復制10平衡密度梯度離心Matthew Meselson & Franklin Stahl The Replication of DNA in Escherichia coli . Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 1958 , 44: 671-68211 DNA生物合成時，母鏈DNA解開為兩股單鏈，各自作為模板(template)按堿基配對規律，合成與模板互補的子鏈。子代細胞的DNA，一股單鏈從親代完整地接受過來，另一股單鏈則完全從

4、新合成。兩個子細胞的DNA都和親代DNA堿基序列一致。這種復制方式稱為半保留復制。半保留復制的概念121.2 雙向復制原核生物復制時，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。 證明雙向復制的同位素標記試驗13復制子(replicon)：從一個復制起始點開始的DNA復制區域。14真核染色體DNA復制時有多個復制起始點，形成多個復制子15(領頭鏈）leading strand - continuous （滯后鏈）lagging strand. . . discontinuous 1.3 半不連續復制1617順著解鏈方向生成的子鏈，復制是連續進行的，

5、這股鏈稱為領頭鏈。另一股鏈因為復制的方向與解鏈方向相反，不能順著解鏈方向連續延長，這股不連續復制的鏈稱為隨從鏈。復制中的不連續片段稱為岡崎片段(okazaki fragment)。 領頭鏈連續復制而隨從鏈不連續復制，就是復制的半不連續性。 引物（Primer）：一段與模板鏈互補的短的核酸序列,通常是RNA ，其作用在于提供一個自由的 3-OH 與新摻入的脫氧核苷三磷酸的5磷酸基團反應生成新的磷酸二酯鍵。 1.4 DNA復制起始時需要引物18Nucleotides are added at the 3-end of the strand191.5 復制具有高保真性復制高保真性的原因：遵守嚴格的堿

6、基配對規律；復制出錯時有即時的校讀功能；DNA損傷修復機制；復制終止時RNA引物的切除及填補。Erroneous rate: 10-8 to 10-10 per base pair per round of replication202 DNA復制的酶學和拓撲學變化 DNA復制需要多種物質：底物：dNTP (dATP, dGTP, dCTP, dTTP)模板(template): 解開成單鏈的DNA母鏈引物(primer): 提供3-OH依賴DNA的DNA聚合酶(DNA dependent DNA polymerase, 簡寫為DNA-pol 或 DDDP)其他酶和蛋白質因子212.1 核苷酸

7、與核苷酸之間生成磷酸二酯鍵是復制的基本化學反應222.2 DNA聚合酶催化核苷酸之間聚合DNA聚合酶的一般特征：需要引物 需要模板以四種 dNTP為底物5到3聚合活性（合成的新鏈與模板鏈反向互補 ）232.2.1 DNA 聚合酶(DNA pol)1958年由Arthur Kornberg首先發現的DNA聚合酶，又稱Kornberg酶。245 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 5 3外切酶活性?能切除突變的 DNA片段。辨認錯配的堿基對，并將其水解

8、。該活性為即時校讀（proofreading)功能所必需 DNA-pol還具有核酸外切酶活性 25DNA-pol的主要功能： 去除引物，填補引物消除后的空隙；對復制中的錯誤進行校讀，填補修復中出現的空隙。262.2.2 DNA聚合酶1970年發現活性只有DNA-pol的5%此酶缺陷的大腸桿菌突變株的DNA復制都正常?？赡茉贒NA的損傷修復中該酶起到一定的作用。272.2.3 DNA聚合酶III全酶（ polymerase III holoenzyme ）282.2.3 DNA聚合酶III全酶29“在伯格獲獎十年之后，人們才知道，他所發現的DNA聚合酶并非細菌真正用于復制DNA的酶，在細胞內執行

9、這個任務的是另一種新發現的酶DNA聚合酶III。伯格的酶（被命名為DNA聚合酶I）只是在DNA復制中起修補作用（不過，這種酶后來在分子生物學研究和遺傳工程中發揮了巨大的作用）。值得伯格欣慰的是，新的酶是他的二兒子托馬斯科恩伯格在哥倫比亞大學讀書時發現的。托馬斯現在是加州大學舊金山分校的生物化學教授。 ”（方舟子博客：上陣父子兵）這一家人共發現了30多種酶。 伯格1975年寫了一本書 “For the love of enzymes” （中譯本：酶的情人：一位生物化學家的奧德賽）他的大兒子：Roger Kornberg won 2006 Nobel Prize in Chemistry for

10、his work in genetic research.302.2.4 真核生物的DNA聚合酶 統一采用希臘字母命名DNA-pol ：合成引物DNA-pol ：線粒體內DNA-pol ：負責后續鏈的合成DNA-pol ：修復核內DNADNA-pol ：負責前導鏈的合成31ThumbFingersPalm32解鏈過程中正超螺旋的形成2.3 復制中的解鏈伴有DNA分子拓撲學變化33DNA拓撲異構酶類型 底物例 子I A型單鏈DNA大腸桿菌拓撲酶I和III， 酵母和人類拓撲酶III，古細菌反向促旋酶I B型單鏈DNA真核生物拓撲酶 III型雙鏈DNA大腸桿菌拓撲酶II（DNA促旋酶）和IV；真核生

11、物拓撲酶 IV34I型拓撲異構酶（Type I topoisomerase ） 切斷DNA單鏈后再重新連接，不需ATP。II型拓撲異構酶（Type II topoisomerase ）切斷DNA雙鏈后再重新連接，需ATP DNA拓撲異構酶352.4 解螺旋酶解開DNA雙鏈使成單鏈解螺旋酶(Helicase）即DnaB ，又稱rep蛋白與復制相關的基因定名為dnaA, dnaB, dnaCdnaX。相應的蛋白質命名為DnaA, DnaB, DnaX等。362.5 單鏈DNA結合蛋白( Single-strand DNA-binding protein， SSB)372.6 引物合成酶 (Prim

12、ase)由大腸桿菌的dnaG基因編碼的引物酶(primase)催化引物RNA分子的合成。382.7 DNA連接酶連接DNA雙鏈中的單鏈缺口連接酶的特點：要求一條DNA鏈有3自由羥基而另一條鏈的5端有磷酸基團；只能連接雙鏈DNA或DNA-RNA雜交雙鏈中的單鏈缺口，但不適于雙鏈RNA鏈中的單鏈缺口，也不適于單鏈DNA或RNA間的連接。39名稱 功能DNA聚合酶 聚合脫氧核苷酸拓撲異構酶 理順DNA鏈解螺旋酶(DnaB蛋白，rep蛋白) 解開DNA雙鏈引物酶(DnaG蛋白) 催化RNA引物生成單鏈DNA結合蛋白（SSB） 穩定解開的單鏈DNA連接酶 連接岡崎片段參與復制的各種酶和蛋白質403 DN

13、A生物合成過程三個階段: 起始 (Initiation ）延伸（ Elongation ）終止（ Termination ）41參與復制起始的各種蛋白質名稱 功能DnaA蛋白 辨認起始點解螺旋酶(DnaB蛋白，rep蛋白) 解開DNA雙鏈DnaC蛋白 協助解螺旋酶引物酶(DnaG蛋白) 催化RNA引物生成單鏈DNA結合蛋白（SSB） 穩定解開的單鏈拓撲異構酶 理順DNA鏈42DNA復制起點雙鏈解開；引發體(primosome)的生成；RNA引物的生成；DNA聚合酶將第一個脫氧核苷酸加到引物RNA的3-OH末端。3.1 起始階段43大腸桿菌復制起始模型44 Dna A Dna B、 Dna CD

14、NA拓撲異構酶引物酶SSB3535引發體和引物含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和DNA復制起始區域的復合結構稱為引發體。 45464748復制過程簡圖49DNA聚合酶 I催化切除岡崎片段上的RNA引物，并催化岡崎片段繼續延長填補其缺口DNA連接酶將相鄰的兩個DNA片段連接起來，形成完整的DNA鏈終止區（terminus region） 核心序列：GTGTGGTGT復制的終止哺乳動物的細胞周期DNA合成期G1G2SM3.4.真核生物的DNA生物合成 細胞能否分裂，決定于進入S期及M期這兩個關鍵點。G1S及G2M的調節，與蛋白激酶活性有關。 蛋白激酶通過磷酸化激活或抑制各種復制因子而實施調控作用

15、。 50起始、延伸和終止三個階段多個復制子，復制起始點富含AT堿基復制中多種蛋白的作用類似原核DNA復制所需蛋白，但機制更為復雜復制過程涉及核小體的解體和重新生成，后續鏈中岡崎片段的長度就是一個核小體所含的DNA片段長度 真核生物DNA復制概況51 Pol （或Pol ） 填補岡崎片段之間的空隙 DNA連接酶 封閉缺口 RPA 穩定解旋后的單鏈DNA 解旋酶 復制叉的形成和移動必不可少拓撲異構酶 釋放復制叉前進時產生的扭曲應力真核生物復制過程中的酶及功能52線性DNA分子如何避免每復制一次末端就縮短一次？53The Nobel Prize in Physiology or Medicine 200954真核生物的端粒和端粒酶端粒(telomere)： 真核生物染色體線性DNA末端結構，含DNA串聯重復序列，與染色體的穩定有關。55端 ?！岸肆Ｖ谌旧w，好像鞋帶兩頭兒的小塑料套和一根美麗鞋帶的關系。如果沒有小塑料套，由幾股繩編起來的鞋帶兒就要散架（下圖）；同理，如果沒有端粒，你的染色體就劈叉兒、磨禿。你說這么重要的東西值不值一個諾貝爾獎？”-摘自 “端粒，好好看住別丟了！”（/archives/21095.h