大连理工大学生物化学课件--DNA复制与修复共60页
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生物化学第十二章DNA的复制和修复Chapter12The and repairreplication of DNA第一节第节DNA的复制DNA DNA 的复制以dNTP 为原料,通过水解焦磷酸键(PPi)作为驱动的半保留复制力,按照5’→3’方向(在3’末端进行延伸)和碱基互补配对原则进行;DNA的半保留复制:在DNA复制过程中,每个子代DNA分子中的一条链来自于亲代DNA,另一条链则是新合成的,这种DNA 条链来自亲代另条链则是新合成的这种的复制方式称为DNA的半保留复制(semi-conservativereplication)DNA的复制方式双链DNA在复制起始阶段,首先应该打开亲代DNA双链之间配对的碱基,以形成局部单链,并且以每条单链分别作为模板(模对的碱基以形成局部单链板链)指导合成新的互补链(子代链);上述控制复制起始的特定区域(形成的单链区域)称为复制起始位点(origins of replication;ori),复制起始位点的序列一般富含AT;由双链解离形成单链的区域如同形称为复制叉Y形,称为复制叉,随着复制的进行,亲代DNA双链不断打开,DNA复制叉也随之移动;控制复制终止的序列称为复制终点;复制子(li)(replicon):基因组上能够独立完成复制的单位(区域),不仅含有复制起始位点,同时也包括复制终点原核生物DNA复制方式真核生物DNA复制方式DNA的半不连续复制DNA的双螺旋结构是反向平行的,即亲代DNA双链中,一条模板链的走向是3→ 5,另外条模板链的走向是5→ 3;3’5’另外一条模板链的走向是5’3’但是,聚合酶合成的方向只能是53方向,即只DNA DNA5’ → 3’有3’ → 5’走向的模板链可以指导子代链连续复制,那么5’ →3’走向的模板链如何指导子代链复制?如何指导子代链复制因此,在DNA的复制过程中,两条新链的合成方式是不同的,其中一条链按照5’ → 3’方向连续合成,另外一条链首先按照5’ → 3’方向合成许多不连续的DNA片段,这些片段被称为冈崎片段(Okazaki fragment),最后连接成一条完整的DNA链,即 DNA的半不连续复制(semidiscontinuous replication);前导链(leading strand):亲代DNA分子中,一条模板链是3’→ 5’走向,在这条链上,子代DNA链能以5’ → 3’方向连续合成,称为前导链;滞后链(lagging strand):亲代DNA分子中,另一条模板链是5’→ 3’走向,在这条链上,子代DNA链虽然仍然以5’ → 3’方向合成,但是与复制叉移动方向相反,并且首先合成出许多不连 续的片段,最后连接成一条完整的DNA链,称为滞后链;此外,无论是前导链还是滞后链,DNA链的合成不能直接进行, 而需要首先合成一段RNA引物(primer,长度大约几个核苷酸 到十多个核苷酸),然后DNA聚合酶 III(DNA Pol III )再从 RNA引物的3’-OH端开始合成新的DNA;合成RNA引物的酶称为引物合成酶(primase);RNA引物最终可由RNase H去除,并有DNA Pol I 填补缺口模板复制方式 是否产生冈崎片段 合成起始方式 合成方向前导链3’ → 5’连续复制 否RNA引物5’ → 3’滞后链5’ → 3’不连续复制 是RNA引物5’ → 3’差别 共同点参与DNA复制的蛋白因子DNA解旋酶(helicase):在DNA复制过程中,通过水解ATP释 放能量,解开亲代DNA双链,形成单链结构,从而推动复制叉 前进;单链结合蛋白(single-strand DNA binding protein SSB):选 择性结合并覆盖在单链DNA上,但是不结合双链DNA的一类 蛋白,在DNA复制过程中起到稳定解开的双链,防止其被水解 或重新结合形成双链的作用,一旦DNA双链被解开形成单链, SSB就会与之结合并使其稳定,而当DNA重新形成单链时, SSB就会被替代并脱离DNA分子DNA helicases unwind the double helix in advance of the replication fork¾ Cooperative binding ¾ Sequence-independent manner(electrostatic interactions)DNA聚合酶FingersThumbDNA Pol holoenzyme DNA Pol holoenzymeDNA拓扑异构酶Topoisomerase removes the positive supercoils produced by DNA unwinding at the replication forkDNA复制的基本过程E.coli细胞中,DNA可分为三个阶段:起始、延伸和终止在复制叉上分布着参与DNA复制的各种酶和蛋白因子,它们共复制的各种酶和蛋白因子它们共同构成了复制体(replisome),DNA复制阶段的改变表现在其复制体结构的变化复制起始阶段在复制起始阶段,由DnaA、DnaB(解旋酶)、DnaC、DnaG(引物酶)、拓扑异构酶II、HU(类组蛋白)、SSB和RNA聚合酶组成的起始复合体,与基因组上DNA复制起点(ori)相结合,启动DNA的复制复制的延伸和滞后链的延伸都是按照5→3方向合成,但是在合前导链5’3’方向合成但是在合成方式上有很大的不同前导链的延伸:先由引物合成酶(Dna G)在复制起点上加上一段RNA引物,随后DNA Pol III在引物3’端加上dNTP,然后持随后P l然后续进行延伸,并且与复制叉移动保持同步;滞后链合成是分段进行的,需要不断合成冈崎片段和引物,这就需要DNA Pol III不断与模板脱离,然后又在新的位置与模板结合复制的终止E.coli含有6个终止子位点,每个终止子含有约22个bp,与终止子结合的蛋白称为Tus蛋白;结合后的Tus-ter复合物只能够阻止一个方向的复制叉前移,Tus ter只能够阻止个方向的复制叉前移这样就可避免双向复制中发生过量复制的问题;两个复制叉之间最后未完成复制的部位最终通过修复方式填补空缺,此时两个子代环状DNA分子相互缠绕,形成连锁体,该连锁体最终需要拓扑异构酶分开II第二节逆转录逆转录酶:以RNA 为模板,四种dNTP 为原料,按照碱基互补配模照碱对原则,合成互补DNA 链,即cDNA (complementary DNA)第三节DNA的损伤与修复DNA的损伤引起DNA损伤的因素:11.生物因素:复制过程中的错配2.物理因素:紫外线照射等;3.化学因素:化学诱变剂,如亚硝酸盐引起DNA损伤的类型:类型1.点突变(point mutation);2.缺失(deletion);3.插入(insertion);4.重排(rearrangement)DNA的修复错配修复错配修复:在DNA复制过程中可能会发生错配(mismatch),如果模板链被修复,突变就会被固定,因此,修复系统需要区分模板链和新生链;Dam甲基化酶可使模板链上的GATC序列中的腺嘌呤甲基化,一旦发现错配,即通过核酸内切酶将未甲基化的新生链部分切旦发现错配除,并以甲基化的链为模板指导新链的重新合成直接修复胸腺嘧啶二聚体的形成:紫外照射会使相邻的胸腺嘧啶形成胸腺嘧啶二聚体,两者以共价键相连,影响DNA的双螺旋结构腺嘧啶二聚体两者以共价键相连影响和功能;光修复:通过可见光进行照射,启动光复活酶分解紫外照射形成的胸腺嘧啶二聚体;暗修复:哺乳动物通过核酸内切酶切除产生胸腺嘧啶二聚体的暗修复切除产生胸腺嘧啶聚体的核苷酸实现修复切除修复在一系列酶的作用下,通过核酸内切酶将DNA受损部分切除,并以完整的链作为模板,通过DNA Pol I将dNTP 加到切口3’端,并通过DNA连接酶连接切口端并通过着色性干皮病病人缺乏核酸内切酶,正常的胸腺嘧啶二聚体的切除修复机制不能进行,当皮肤受到紫外线照射时,DNA损伤不能修复,易患皮肤癌单核苷酸多态性单核苷酸多态性(Single-nucleotide polymorphism,SNP)是指:在基因组水平上,由单个核苷酸的变异引起的DNA 序列多态性。