真核生物DNA复制的调控机制

第八节 真核生物的DNA复制

在上一节中,已经从解决线形DNA复制终止问题的角度讲解了一种真核生物病毒一一腺病毒的DNA复制。本节将要讲解真核生物的复制原点,复制元和复制元族;真核生物的DNA聚合酶和引发酶;作为真核生物DNA复制模型的SV40的复制原点和大T抗原以及复制过程;真核生物染色体末端的DNA的复制F真核生物复制过程中的核小体结构。

一、真核生物的复制原点,复制元和复制元族

在E.coli中,DNA复制速度大约是105bp/分,而真核细胞的DNA聚合酶活性要低得多,复制速度大约为500bp/分~500Obp/分。这样,如果按典型的哺乳动物染色体DNA(比E.coliDNA大50倍)来计算,则真核DNA的复制时间就会是E.Coli的1000倍即约一个月的时间。事实上,真核生物DNA复制时间一般为几个小时。这是通过从许多复制原点同时开始并双向复制而实现的。用放射自显影方法在哺乳动物染色体上看到许多复制泡,每个复制泡都有固定的起点(复制原点),然后双向伸展,与相邻的复制泡会合。这样一段段的DNA就称为复制单元,简称复制元（replion)。复制元的大小是不均一的,从1.3万bp~90万bp不等。不同生物的复制元大小当然不会相同；就是同一种生物在不同的生长条件下,复制元的大小也不同。生长快的时候,复制元就小。例如果蝇大约有5000个复制原点,每个复制元平均大小约3万bpz而在卵受精后,复制起点增加到大约5万个,仅需3分钟就可以将整个基因组复制完毕。其调节机制目前毫无所知。几个邻近的复制元可组成复制元族,每个复制元族少至两个复制元,多至250个复制元。不同的复制元族在复制起始的时间上有先有后,而同一复制元族内各复制元基本上是同步的。真核生物的复制原点的DNA序列并无固定的模式,但大多包含一个富含AT的序列,可能还有一个特异性蛋白质的结合位点。

二、真核生物的DNA聚合酶和引发酶

与真核细胞中多起点复制相应的特点是细胞中DNA的聚合酶分子数目多。在E.Coli中,只有pol Ⅲ10个~20个分子,而一个典型的动物细胞含有DNA聚合酶α2000个~60000个分子。DNA聚合酶α可能是真核生物的主要的DNA聚合酶,此外还有DNA聚合酶α和β。现将四种DNA聚合酶的性质总结于下表。大多数真核生物DNA聚合酶都只有聚合活性,而不像细菌DNA聚合酶那样除了聚合活性外还有外切酶活性。而新近发现的DNA聚合酶β不但有聚合酶活性,而且还有3'→5'外切酶活性。DNA聚合酶α与DNA引发酶结合得相当紧密,甚至在用DNA聚合酶α的抗体进行亲和层析时,这个紧密的复合物也一同被吸附;但DNA引发酶可以被50%乙二醇(ethylene glycol)所洗脱。因此前几年人们认为DNA聚合酶α兼具引发酶的活性是不恰当的。实验表明,DNA聚合酶α和DNA引发酶的复合物是复制体系所必需的。DNA聚合酶α和δ在体外都可以被一种霉菌的抗菌素aphidicolin所抑制,在体内该抗菌素则抑制细胞DNA的复制。实验表明,在细胞DNA合成期(S期),DNA聚合酶α的含量急剧增加。而对于DNA聚合酶δ,控制细胞周期的蛋白质cyclin则是它不可缺少的辅助成分(亚基?)。据此,人们推测,真核生物的DNA复制是由DNA聚合酶α和δ协同进行的。DNA聚合酶。在细胞周期中含量变化不大,可能与损伤DNA的修复有关。DNA聚合酶γ的功能主要是负责线粒体DNA的复制，而它在核内的功能还不清楚。

关于原核生物与真核生物DNA复制过程及异同点

文件排版存档编号：[UYTR-OUPT28-KBNTL98-UYNN208]

原核生物与真核生物DNA复制共同的特点：

1底物成分：亲代DNA分子为模板，四种脱氧三磷酸核苷(dNTP)为底物，多种酶及蛋白质 ：DNA拓扑异构酶、DNA解链酶、单链结合蛋白、引物酶、 DNA聚合酶、RNA酶以及DNA连接酶等；

2过程：分为起始、延伸、终止三个过程；

3聚合方向：5'→3'；

4化学键： 3'，5'磷酸二酯键；

5遵从碱基互补配对规律；

6一般为双向复制、半保留复制、半不连续复制。

原核生物与真核生物DNA复制不同的特点：

1真核生物为线性DNA,具有多个复制起始位点，形成多个复制叉，DNA聚合酶的移动速度较原核生物慢。原核生物为一般为环形DNA，具有单一复制起始位点。

2真核生物DNA复制只发生在细胞周期的S期，一次复制开始后在完成前不再进行复制，原核生物多重复制同时进行。

3真核生物复制子大小不一且并不同步。

4原核生物有9-mer和13-mer的重复序列构成的复制起始位点，而真核生物的复制起始位点无固定形式。

5真核生物有五种DNA聚合酶，需要Mg+。主要复制酶为DNA聚合酶δ（ε），引物由DNA聚合酶α合成。原核生物只有三种，主要复制酶为DNA聚合酶III。

6真核生物末端靠端粒酶补齐，而原核生物以多联体的形式补齐。

7真核生物冈崎片段间的RNA引物由核酸外切酶MF1去除，而原核生物冈崎片段由DNA聚合酶I去除。

8真核生物DNA聚合酶γ负责线粒体DNA合成。

9真核生物DNA聚合酶δ的高前进能力来自于RF-C蛋白与PCNA蛋白的互相作用。原核生物DNA聚合酶III的前进能力来自与γ复合体（夹钳装载机）与β亚基二聚体（β夹钳）的相互作用。

10原核生物的聚合酶没有5→3外切酶活性，需要一种FEN1的蛋白切除5端引物，原核生物DNA聚合酶工具有5→3外切酶活性。

原核生物和真核生物基因表达调控、复制、转录、翻译特点的比较

1.相同点：转录起始是基因表达调控的关键环节

①结构基因均有调控序列；

②表达过程都具有复杂性，表现为多环节；

③表达的时空性，表现为不同发育阶段和不同组织器官上的表达的复杂性；

2.不同点:

①原核基因的表达调控主要包括转录和翻译水平。真核基因的表达调控主要包括染色质活化、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工多个层次。

②原核基因表达调控主要为负调控，真核主要为正调控。

③原核转录不需要转录因子,RNA聚合酶直接结合启动子,由sita因子决定基因表的的特异性，真核基因转录起始需要基础特异两类转录因子，依赖DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用调控转录激活。

④原核基因表达调控主要采用操纵子模型，转录出多顺反子RNA，实现协调调节；真核基因转录产物为单顺反子RNA，功能相关蛋白的协调表达机制更为复杂。

⑤真核生物基因表达调控的环节主要在转录水平，其次是翻译水平。原核生物基因以操纵子的形式存在。转录水平调控涉及到启动子、sita因子与RNA聚合酶结合、阻遏蛋白、负调控、正调控蛋白、倒位蛋白、RNA聚合酶抑制物、衰减子等。翻译水平的调控涉及SD序列、mRNA的稳定性不稳定(5’端和3’端的发夹结构可保护不被酶水解mRNA的5’端与核糖体结合可明显提高稳定性)、翻译产物及小分子RNA的调控作用。

真核生物基因表达的调控环节较多：

在DNA水平上可以通过染色体丢失、基因扩增、基因重排、DNA甲基化、染色体结构改

变影响基因表达。

在转录水平主要通过反式作用因子调控转录因子与TATA盒的结合、RNA聚合酶与转录因 子-DNA复合物的结合及转录起始复合物的形成。

在转录后水平主要通过RNA修饰、剪接及mRNA运输的控制来影响基因表达。

在翻译水平有影响起始翻译的阻遏蛋白、5’AUG、5’端非编码区长度、mRNA的稳定性

原核生物与真核生物DNA复制共同的特点：

1底物成分：亲代DNA分子为模板，四种脱氧三磷酸核苷(dNTP)为底物，多种酶及蛋白质 ：DNA拓扑异构酶、DNA解链酶、单链结合蛋白、引物酶、 DNA聚合酶、RNA酶以及DNA连接酶等；

2过程：分为起始、延伸、终止三个过程；

3聚合方向：5'→3'；

4化学键： 3'，5'磷酸二酯键；

5遵从碱基互补配对规律；

6一般为双向复制、半保留复制、半不连续复制。

原核生物与真核生物DNA复制不同的特点：

1真核生物为线性DNA,具有多个复制起始位点，形成多个复制叉，DNA聚合酶的移动速度较原核生物慢。原核生物为一般为环形DNA，具有单一复制起始位点。

2真核生物DNA复制只发生在细胞周期的S期，一次复制开始后在完成前不再进行复制，原核生物多重复制同时进行。

3真核生物复制子大小不一且并不同步。

4原核生物有9-mer和13-mer的重复序列构成的复制起始位点，而真核生物的复制起始位点无固定形式。

5真核生物有五种DNA聚合酶，需要Mg+。主要复制酶为DNA聚合酶δ（ε），引物由DNA聚合酶α合成。原核生物只有三种，主要复制酶为DNA聚合酶III。

6真核生物末端靠端粒酶补齐，而原核生物以多联体的形式补齐。

7真核生物冈崎片段间的RNA引物由核酸外切酶MF1去除，而原核生物冈崎片段由DNA聚合酶I去除。

8真核生物DNA聚合酶γ负责线粒体DNA合成。

9真核生物DNA聚合酶δ的高前进能力来自于RF-C蛋白与PCNA蛋白的互相作用。原核生物DNA聚合酶III的前进能力来自与γ复合体（夹钳装载机）与β亚基二聚体（β夹钳）的相互作用。

10原核生物的聚合酶没有5→3外切酶活性，需要一种FEN1的蛋白切除5端引物，原核生物DNA聚合酶工具有5→3外切酶活性。

11原核的DNA Pol─Ⅱ复制时形成二聚体复合物，而真核生物的聚合酶保持分离状态。

原核生物与真核生物基因信息传递过程中的差异