分子生物学第二章染色体与DNA.ppt

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1、染色体与DNA,第二章,一、染色体的组成与结构二、DNA的组成与结构三、DNA的复制 四、原核与真核生物DNA的比较五、DNA的修复六、DNA的转座,本章主要内容,一、染色体的组成与结构,1、细胞染色体DNA真核细胞的结构,原核与真核染色体DNA比较1、原核生物中一般只有一条染色体且大都带有单 拷贝基因，只有很少数基因如rRNA基因是 以多拷贝形式存在；2、整个染色体DNA几乎全部由功能基因与调控序 列所组成；3、几乎每个基因序列都与它所编码的蛋白质序列 呈线性对应状态。,染色体的形态示意图,人类染色体的编号,染色体形成过程中长度与宽度的变化,2、真核生物染色体的组成与结构,染色体作为遗传物质

2、的特征：分子相对稳定；能自我复制，保持遗传连续性；能指导蛋白质合成，控制生命过程；能产生可遗传的变异,DNA的分布,（所以说，染色体 是DNA的主要载体）,例：紫茉莉叶色的遗传,2、真核细胞染色体的组成与结构,化学组成(1)DNA：约占30%，每条染色体一个双链 DNA分子,是遗传信息的载体，也就是所谓的遗传物质.(2)蛋白质组蛋白(histone)：呈碱性，结构稳定；与DNA结合形成、维持染色质结构，与DNA含量呈一定的比例.非组蛋白：呈酸性，种类和含量不稳定；作用还不完全清楚，可能与染色质结构调节有关，在DNA遗传信息的表达中有重要作用(3)另外，可能存在少量的RNA.,组蛋白的特性（P2

3、4表）,组蛋白分为H1、H2A、H2B、H3、H4。(1）进化上的极端保守性。（2）无组织特异性:到目前为止，仅发现鸟类、鱼类及 两栖类红细胞染色体不含H1而带有H5，精细胞染 色体的组蛋白是鱼精蛋白。（3）肽链上AA分布的不对称性:碱性氨基酸集中分布在 N端的半条链上。（4）组蛋白的修饰作用:包括甲基化、乙基化、磷酸化 及ADP核糖基化等。（5）富含赖氨酸的组蛋白H5。,非组蛋白主要种类,非组蛋白占组蛋白总量的6070%，主要包括酶类及与细胞分裂相关的各种蛋白质：非组蛋白的多样性:非组蛋白的量大约是组蛋白的60%70%，但它的种类却很多，约在20-100种之间，其中常见的有15-20种。非组

4、蛋白的组织专一性和种属专一性。（1）HMG蛋白：富含赖AA、精AA、谷AA与天冬AA，与DNA的超螺旋结构有关。（2）DNA结合蛋白：与DNA的复制或转录有关的酶或调节物质。（3）A24非组蛋白：与H2A差不多大小，呈酸性，含谷AA与天冬AA多，于核小体内，功能不详。,DNA类别,（1）不重复序列：占4080%，是主要的结构基因；（2）中度重复序列：占1040%，重复次数101104，各种rRNA和tRNA及结构基因；（3）高度重复序列：卫星DNA，占1060%，重复达数百万次，不转录，多位于着丝粒处，是异染色质组分，可能与染色体稳定有关。,染色体的结构模型,贝克等(Bak,A.L.,1977

5、)：染色体四级结构模型理论能够在一定程度上解释染色质状态转化的过程1.DNA+组蛋白核小体+连接丝2.核小体螺线体(solenoid)3.螺线体超螺线体(super-solenoid)4.超螺线体染色体,DNA+组蛋白核小体+连接丝,核小体+连接丝螺线体(solenoid),螺线体超螺线体(super-solenoid),超螺线体染色体,核小体是由H2A、H2B、H3、H4各两个分子生成的八聚体和由大约200bpDNA组成的。八聚体在中间，DNA分子盘绕在外，而H1则在核小体的外面。每个核小体只有一个H1。在核小体中DNA盘绕组蛋白八聚体核心，从而使分子收缩成1/7，200bpDNA的长度约为

6、68nm，却被压缩在10nm的核小体中。但是，人中期染色体中含3.3109碱基对，其理论长度应是180cm，这么长的DNA被包含在46个51m长的圆柱体（染色体）中，其压缩比约为104。,3、原核生物的基因组特点,（1）结构简练：不转录部分很少且常是控制基因表达的序列（2）存在转录单元：多顺反子mRNA，这些功能相关的RNA和蛋白质基因协同表达。（3）有重叠基因：同一段DNA能携带两种一同的蛋白质信息，主要是：一个基因完全存在于另一个基因内部分重叠两个基因只有一个碱基对的重叠,3、原核生物的基因组特点,（1）结构简练：不转录部分很少且常是控制基因表达的序列（2）存在转录单元：多顺反子mRNA，

7、这些功能相关的RNA和蛋白质基因协同表达。（3）有重叠基因：同一段DNA能携带两种一同的蛋白质信息，主要是：一个基因完全存在于另一个基因内部 部分重叠两个基因只有一个碱基对的重叠,二、DNA的组成与结构,1、化学组成与基本单位,基本单位脱氧核苷酸,脱氧核糖,碱基,磷酸,A,G,C,T,核苷酸中的嘌呤碱主要是鸟嘌呤(G)和腺嘌呤(A)，嘧啶碱主要是胞嘧啶(C)、尿嘧啶(U)和胸腺嘧啶(T)。DNA和RNA都含有鸟嘌呤(G)、腺嘌呤(A)和胞嘧啶(C)；胸腺嘧啶(T)一般而言只存在于DNA中，不存在于RNA中；而尿嘧啶(U)只存在于RNA中，不存在于DNA中。,核酸中五种碱基中的酮基和氨基，均位于

8、碱基环中氮原子的邻位，可以发生酮式一烯醇式或氨基与亚氨基之间的结构互变。这种互变异构在基因的突变和生物的进化中具有重要作用。,腺嘌呤（6-氨基嘌呤）Adenine(A),鸟嘌呤（2-氨基6-氧嘌呤）Guanine(G),胞嘧啶（2-氧，4-氨基嘧 啶）Cytosine(C),酮式,烯醇式,有些核酸中还含有修饰碱基，(或稀有碱基)，这些碱基大多是在上述嘌呤或嘧啶碱的不同部位甲基化或进行其它的化学修饰而形成的衍生物。一般这些碱基在核酸中的含量稀少。,腺嘌呤脱氧核苷酸,鸟嘌呤脱氧核苷酸,胞嘧啶脱氧核苷酸,胸腺嘧啶脱氧核苷酸,脱氧核苷酸的种类,核酸中的戊糖有核糖(ribose)和脱氧核糖(deoxyr

9、ibose)两种，分别存在于核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸中。戊糖与嘧啶或嘌呤碱以糖苷键连接就称为核苷，通常是戊糖的C1与嘧啶碱的N1或嘌呤碱的N9相连接。,核苷=核糖+碱基,碱基和核糖通过糖苷键连成核苷。连接方式是嘌呤环上的N-9或嘧啶环上的N-1与糖的C-1以糖苷键相连。,核苷中戊糖的羟基与磷酸以磷酸酯键连接而成为核苷酸。生物体内的核苷酸大多数是核糖或脱氧核糖的C5上羟基被磷酸酯化，形成5核苷酸,核苷酸=核苷+磷酸,2、DNA的一级结构,核酸是由很多单核苷酸聚合形成的多聚核苷酸(polynucleotide)，DNA的一级结构即是指四种核苷酸(dAMP、dCMP、dGMP、dTMP)按照一定的

10、排列顺序，通过磷酸二酯键连接形成的多核苷酸，由于核苷酸之间的差异仅仅是碱基的不同，故又可称为碱基顺序。核苷酸之间的连接方式是：一个核苷酸的5位磷酸与下一位核苷酸的3-OH形成3，5磷酸二酯键，构成不分支的线性大分子，其中磷酸基和戊糖基构成DNA链的骨架，可变部分是碱基排列顺序。,DNA不仅具有严格的化学组成，还具有特殊的高级结构，它主要以有规则的双螺旋形式存在，基本特点是：,1、DNA分子是由两条互相平行脱氧核苷酸长链盘 绕而成的。2、DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排在 外侧，构成基本骨架，碱基排列在内侧。,3、碱基通过氢键相结合，形成碱基对，A配T，G配C即碱基互补配对原则。由于碱基

11、可以任何顺序排列，构成了DNA分子的多样性。例如，某DNA分子的一条多核苷酸链有100个不同的碱基组成，它们的可能排列方式就是4100。,连 接,A=T,GC,50年代初，Chargaff应用紫外分光光度法结合纸层析等简单技术，对多种生物DNA作碱基定量分析，发现DNA碱基组成有如下规律。,2、DNA的二级结构,DNA来源 腺嘌呤 胸腺嘧啶 鸟嘌呤 胞嘧啶（A+T）/（G+C）（A）（T）（G）（C）大肠杆菌 25.4 24.8 24.1 25.7 1.01小麦 26.8 28.0 23.2 22.7 1.21鼠 29.7 25.6 21.9 22.8 1.21猪：肝 29.4 29.7 20

12、.5 20.5胸腺 30.0 28.9 20.4 20.7 1.43脾 29.6 29.2 20.4 20.8酵母 31.3 32.9 18.7 17.5 1.079,2、DNA的二级结构,1)同一生物的不同组织的DNA碱基组成相同；2)一种生物DNA碱基组成不随生物体的年龄、营养状态或者环境变化而改变；3)几乎所有的DNA，A=T，G=C，(AG=CT)。4)不同生物来源的DNA碱基组成不同，表现在AT/GC比值的不同；,2、DNA的二级结构,Watson和Crick以立体化学原理为准则，对Wilkins和Franklin的DNA X射线衍射分析结果加以研究，提出了DNA结构的双螺旋模式，其

13、主要内容如下：,DNA的双螺旋结构模式,DNA的双螺旋结构模式要点,(1)在DNA分子中，两股DNA链围绕一假想的共同轴心形成一右手螺旋结构，双螺旋的螺距为3.4nm，直径为2.0nm。(2)链的骨架(backbone)由交替出现的、亲水的脱氧核糖基和磷酸基构成，位于双螺旋的外侧。,DNA的双螺旋结构模式要点,(3)碱基位于双螺旋的内侧，两股链中的嘌呤和嘧啶碱基以其疏水的、近于平面的环形结构彼此密切相近，平面与双螺旋的长轴相垂直。一股链中的嘌呤碱基与另一股链中位于同一平面的嘧啶碱基之间以氢链相连，称为碱基互补配对或碱基配对(base pairing)，碱基对层间的距离为0.34nm。碱基互补配

14、对总是出现于腺嘌呤与胸腺嘧啶之间(A=T)，形成两个氢键；或者出现于鸟嘌呤与胞嘧啶之间(G=C)，形成三个氢键。,DNA的双螺旋结构模式要点,(4)DNA双螺旋中的两股链走向是反平行的，一股链是53走向，另一股链是35走向。两股链之间在空间上形成一条大沟和一条小沟，这是蛋白质识别DNA的碱基序列，与其发生相互作用的基础。,3、DNA结构的多态性,B-DNA：Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构属于B型双螺旋，它是以在生理盐溶液中抽出的DNA纤维在92%相对湿度下进行X射线衍射图谱为依据进行推测的，这是DNA分子在水性环境和生理条件下最稳定的结构。A-DAN：在以钾或绝作反离子，相对湿

15、度为75%时，DNA分子的X射线衍射图给出的是A构象，ADNA每螺旋含11个碱基对，而且变成ADNA后，大沟变窄、变深，小沟变宽、变浅。,当水全的B-DNA脱水或加入乙醇或盐使水的活度降低时就转变为A型DNA，碱基对向大沟方向移动了0.5nm。DNA结构产生多态性的原因在于多核苷酸链的骨架含有许多可转动的单键（主要是磷酸二酯键的两个OP键、多核苷酸链的N苷键），从而使糖环可采取不同折叠形式和苷键采取不同构象，使糖环和碱基处在不同的空间关系中。极端形式：反式构象：碱基远离糖环顺式构象：碱基位于糖环上方,不同右手双螺旋DNA的结构参数,双螺旋 碱基倾碱基夹碱基间距螺距 每轮碱 小沟宽nm大沟宽nm

16、 角（）角（）/nmnm基数小沟宽nm 大沟宽nmB-DNA036.00.3373.4100.570.751.170.85C-DNA638.00.3313.19.3 0.480.791.050.75D-DNA 45.00.303 0.130.67 0.890.58A-DAN20 32.70.2562.8111.100.28 0.271.35总之，DNA的双螺旋结构永远处于动态平衡中，DNA分子构象的变化与糖基和碱基之间空间相对位置有关。,ZDNA：它是左手双螺旋，与右手螺旋的不同是螺距延长(4.5nm左右)，直径变窄(1.8nm)，每个螺旋含12个碱基对，分子长链中磷原子不是平滑延伸而是锯齿形

17、排列，有如“之”字形一样，因此叫它Z构象，这一构象中的重复单位是二核苷酸而不是单核苷酸；而且ZDNA只有一个螺旋沟，它相当于B构象中的小沟，它狭而深，大沟则不复存在(图15-7)。进一步的分析还证明，ZDNA的形成是DNA单链上出现嘌呤与嘧啶交替排列所成的。比如CGCGCGCG或者CACACACA。,ZDNA的生物学意义：应当指出ZDNA的形成通常在热力学上是不利的。因为ZDNA中带负电荷的磷酸根距离太近了，这会产生静电排斥。但是，DNA链的局部不稳定区的存在就成为潜在的解链位点。DNA解螺旋却是DNA复制和转录等过程中必要的环节，因此认为这一结构与基因调节有关。此外，DNA螺旋上沟的特征在其

18、信息表达过程中起关键作用。,调控蛋白都是通过其分子上特定的氨基酸侧链与DNA双螺旋沟中的碱基对一侧的氢原子供体或受体相互作用，形成氢键从而识别DNA上的遗传信息的。大沟所带的遗传信息比小沟多。沟的宽窄和深浅也直接影响到调控蛋白质对DNA信息的识别。ZDNA中大沟消失，小沟狭而深，使调控蛋白识别方式也发生变化。这些都暗示ZDNA的存在不仅仅是由于DNA中出现嘌呤一啶嘧交替排列之结果，也一定是在漫漫的进化长河中对DNA序列与结构不断调整与筛选的结果，有其内在而深刻的含意，只是人们还未充分认识而已。,4、DNA的三级结构（高级结构）,(一)DNA超螺旋双螺旋DNA进一步扭曲盘绕则形成其三级结构，超螺

19、旋是DNA三级结构的主要形式。,4、DNA的三级结构（高级结构）,(一)DNA超螺旋对于真核生物来说，虽然其染色体多为线形分子，但其DNA均与蛋白质相结合，两个结合点之间的DNA形成一个突环(loop)结构，类似于CCC分子，同样具有超螺旋形式。,4、DNA的三级结构（高级结构）,(一)DNA超螺旋超螺旋按其方向分为正超螺旋和负超螺旋两种。真核生物中，DNA与组蛋白八聚体形成核小体结构时，存在着负超螺旋。研究发现，所有的DNA超螺旋都是由DNA拓扑异构酶产生的。,DNA超螺旋的形成：拓扑异构酶负超螺旋松驰DNA溴乙锭溴乙锭拓扑异构酶正超螺旋,双螺旋分子的链间螺旋数发生变化（多或少几圈），DNA

20、分子内部产生额外的张力而使分子内部原子空间位置重排。拓扑异构酶：与DNA形成共价结合蛋白质DNA中间体，在其磷酸二酯键处造成暂时性裂口，使DNA的多核苷酸链穿越改变分子的拓扑状态。,(二)染色质和核小体真核生物的染色体在细胞生活周期的大部分时间里都是以染色质的形式存在的。染色质是一种纤维状结构，叫做染色质丝，它是由最基本的单位核小体成串排列而成的。,(二)染色质和核小体DNA是染色体的主要化学成分，也是遗传信息的载体，约占染色体全部成分的27%，另外组蛋白和非组蛋白占66%，RNA占6%。,(二)染色质和核小体核小体是构成染色质的基本结构单位，由DNA、RNA和蛋白质组成的结构。核小体由核心颗

21、粒(core particle)和连接区DNA(linker DNA)二部分组成。,(二)染色质和核小体核小体在电镜下呈捻珠状，包括组蛋白构成的八聚体(又称核心组蛋白)，以及缠绕其上圈146bp的DNA链，60bp的连接DNA和连接DNA上的组蛋白H1。,三、DNA的复制,DNA做为遗传物质的基本特点就是在细胞分裂前进行准确地自我复制(selfreplication)，使DNA的量成倍增加，这是细胞分裂的物质基础。,三、DNA的复制,DNA是由二条互补的脱氧核苷酸链组成，所以一条DNA链上的核苷酸排列顺序是由另一条DNA链决定的。,三、DNA的复制,DNA的复制是由原来存在的分子为模板来合成新

22、的链。曾经有过多种关于DNA复制方式的学说，包括半保留复制、全保留复制以及分散复制等。,三、DNA的复制,1、DNA的半保留复制,DNA在复制时两条链之间的氢键断裂两条链分开，然后以每一条链分别做模板各自合成一条新的DNA链，新合成的子代DNA分子中一条链来自亲代DNA，另一条链是新合成的，这种复制方式为半保留复制。（为Watson和Crick所推测）,1、DNA的半保留复制,1958年Meselson和Stahl利用氮标记技术在大肠杆菌中首次证实了DNA的半保留复制（实验验证）。,1、DNA的半保留复制,DNA的半保留复制第一代分子含有一条亲代的链(用黑色素示)，与另一条新合成的链(用白色表

23、示)配对。在以后的连续复制过程中，原来亲代的两条链仍然保持完整，因此总有两个分子各具有一条原来亲代的链。,1、DNA的半保留复制,2、DNA复制的一般过程：,DNA双螺旋是由两条方向相反的单链组成。形成一个复制叉。生物体内DNA聚合酶只能催化DNA从53的方向合成。,2、DNA复制的一般过程：,在以35方向的母链为模板时，复制合成出一条53方向的前导链(leadingstrand)，前导链的前进方向与复制叉打开方向是一致的，因此前导链的合成是连续进行的。,2、DNA复制的一般过程：,另一条母链DNA是53方向，它作为模板时，复制合成许多条53方向的短链，叫做随从链(lagging strand

24、)，随从链的前进方向是与复制叉的打开方向相反的。随从链只能先以片段的形式合成，这些片段就叫做冈崎片段。,2、DNA复制的一般过程：,DNA的复制可被分为三个阶段，即复制起始、延伸和终止。每个DNA复制的独立单元被称为复制子（replicon），主要包括复制起始位点（Origine of replication）和终止位点,2、DNA复制的一般过程：,DNA复制具有以下特点：,复制是半保留的。原核生物一般只有一个复制原点，真核生物有多个复制原点。复制可单向进行，也可双向进行，后者更为常见。,DNA复制具有以下特点：,复制是半不连续的，两条链都是以5 3方向合成，其中，前导链是连续合成的，后随链是

25、不连续合成的，即先合成短的冈崎片段，再连接成后随链。复制开始时需要一段引物RNA，在复制进行到一定程度后被切除，并以一段DNA代替。,DNA复制具有以下特点：,复制具有严格的保证复制准确性的机制。在复制过程中，有多种酶和蛋白质参与，可能就是保证复制准确性所必需的，DNA聚合酶的校正作用，也可能是保证复制准确性的数种途径之一。,（1）DNA复制的起始点,原核生物的整个染色体上一般只有一个复制起始位点。真核生物中，DNA的复制是从许多起始点同时开始的，所以每个DNA分子上有许多个复制子。,（1）DNA复制的起始点,DNA复制起始点有结构上的特殊性，例如：大肠杆菌染色体DNA复制起始点Oric由42

26、2个核苷酸组成，是一系列对称排列的反向重复序列，即回文结构。,大肠杆菌DNA的复制需要有20种左右的酶和蛋白质因子参与，整个DNA复制机器被称之为DNA replicase system或replisome。其中：Helicase，任何DNA在被复制前都必须解开双链，这个过程是由Helicase来完成的，它可在ATP的作用下将DNA母链不断解开形成单链。,Topoisomerase，主要功能是消除DNA解链过程中所产生的扭曲力。DNA结合蛋白，使新解链的DNA保持稳定结构。,Primases，为DNA复制提供RNA引物。DNA polymerases，合成新生DNA链，切除RNA引物。DNA

27、Ligases，使新生DNA链上的缺口（3-OH,5-p）生成磷酸二酯键。,DNA复制起始中的主要步骤：a.大约20个左右的DnaA蛋白首先与OriC 中的4个9碱基重复区相结合；b.识别并使3个13碱基串联重复区DNA形 成开环结构；,DNA复制起始中的主要步骤：c.DnaB蛋白在DnaC的帮助下与未解链序列结 合。每六个DnaB蛋白形成一组并与一条DNA 母链结合，可在不同方向同时起始DNA的复 制。当细胞中存在足够的SSB和DNA gyrase 时，DnaB的解链效率非常高。,（2）DNA复制的方向：,1)定点开始双向复制 这是原核生物和真核生物DNA复制最主要的形式，从一个特定位点解链

28、，沿着两个相反的方向各生长出两条链，形成一个复制泡。,（2）DNA复制的方向：,2)定点开始单向复制质粒Ecol1是个典型的例子，复制从一个起始点开始，以同一方向生长出两条链，形成一个复制叉(replication fork)。,（2）DNA复制的方向：,3)两点开始单向复制腺病毒DNA的复制是从两个起点开始的，形成两个复制叉，各以一个单一方向复制出一条新链。,（2）DNA复制的方向：,（3）DNA子链的延伸,主要包括两个不同但相互有联系的事件，即前导链和滞后链的合成。由DNA helicase解开双螺旋，由拓朴异构酶消除DNA链上的扭曲力，SSB结合使DNA单链稳定。,（3）DNA子链的延伸

29、,前导链的合成：由DnaG（primase）在复制起始位点附近合成一个的RNA引物，然后由Pol II把dNTP加到该引物上。,（3）DNA子链的延伸,滞后链的合成：产生Okazaki fragments，消除RNA引物并由DNA pol I补上这一小段DNA序列，由DNA Ligase把两个片段相连。,（3）DNA子链的延伸,主要包括两个不同但相互有联系的事件，即前导链和滞后链的合成。由DNA helicase解开双螺旋，由拓朴异构酶消除DNA链上的扭曲力，SSB结合使DNA单链稳定。前导链的合成：由DnaG（primase）在复制起始位点附近合成一个10-60 nt的RNA引物，然后由po

30、lII把dNTP加到该引物上。滞后链的合成：产生Okazaki fragments，消除RNA引物并由DNA pol I补上这一小段DNA序列，由DNA Ligase把两个片段相连。,DNA链生长方向的三种机制,（4）.DNA链的终止,链的终止过程：当复制叉前移遇到20bp重复性终止子序列（Ter）时，TerTus复合物能阻挡复制叉的继续前移，当相反方向复制叉到达年在DNA拓扑异构酶作用下使复制叉解体，释放子链DNA。,逆时针方向复制叉,复制起始位点,顺时针方向复制叉,顺时针方向复制叉陷阱,逆时针方向复制叉陷阱,四、DNA复制参与的酶和蛋白质（原核生物DNA的复制特点）,（一）DNA复制起始引

31、发体的形成及所参与的酶和蛋白质1.解链酶(helicase)：打开DNA双链之间的氢键。2.单链结合蛋白(SSBP)：它与解开的单链 DNA结合，使其稳定不会再度螺旋化并 且避免核酸内切酶对单链DNA的水解，保证了单链DNA做为模板时的伸展状态，SSBP可以重复利用。,3.引发体的形成(1)引物酶(primase)：它是一种特殊的RNA聚 合酶，可催化短片段RNA的合成。它们在 DNA复制起始处称为为引物。RNA引物的 3-OH末端提供了由DNA聚合酶催化形 成DNA分子第一个磷酸二酯键的位置。,3.引发体的形成(2)引发体(primosome)高度解链的模板DNA与多种蛋白质因子形成的引发前

32、体促进引物酶结合上来，共同形成引发体，引发体主要在DNA随从链上开始。,（二）DNA复制的延长阶段以及 参与的酶和蛋白质分子,1、DNA的聚合反应和DNA聚合酶：需要DNA模板，因此这类酶又称为依赖DNA的 DNA聚合酶(DDDP)。需要RNA或DNA做为引物(primer)，即DNA聚 合酶不能从头催化DNA的起始。,（二）DNA复制的延长阶段以及 参与的酶和蛋白质分子,1、DNA的聚合反应和DNA聚合酶：催化dNTP加到引物的3-OH末端，因而DNA合 成的方向是53。三种DNA聚合酶都属于多功能酶，它们在DNA复 制和修复过程的不同阶段发挥作用。,DNA聚合酶催化的DNA链延长,DNA聚

33、合酶的作用,1957年，Arthur kornberg首次在大肠杆菌中发现DNA聚合酶，(DNA pol)后来又相继发现了DNA聚合酶和DNA聚合酶。(DNA pol,DNA pol)实验证明大肠杆菌中DNA复制的主要过程靠DNa pol起作用，而DNA pol和DNA pol在DNA错配的校正和修复中起作用。,大肠杆菌DNA聚合酶特征,DNA聚合酶DNA聚合酶DNA聚合酶分子量109KD20KD600KD每个细胞中的分子数 400 17-10010-2053聚合活性+37转化率核苷酸数酶分子分钟6003030,00053外切活性+-53外切活性+切刻平移活性+-对dNTP亲和力低低高功能修复

34、不详复制去除引物填补空缺,(三)与超螺旋松驰有关的酶：,拓扑异构酶(topoisomerase)是一类改变DNA拓扑性质的酶。拓扑异构酶(Topo)的主要作用是将环状双链DNA的一条链切开一个口，切口处链的末端绕螺旋轴按照松驰超螺旋的方向转动，然后再将切口封起来。,(三)与超螺旋松驰有关的酶：,作用特点是切开环状双链DNA的两条链，分子中的部分经切口穿过而旋转，然后封闭切口，Topo还可使DNA分子从超螺旋状态转变为松驰状态，此反应不需要ATP参与。,(a)大肠杆菌拓扑酶催化的4种拓扑异构化作用(b)拓扑酶的作用,DNA复制的终止阶段,连接酶(ligase)的作用是催化相邻的DNA片段以3、5

35、磷酸二酯键相连接。连接反应中的能量来自ATP(或NAD)。随从链的各个DNA片段就是这样连接成一条DNA长链,DNA复制的终止阶段,已有研究证明大肠杆菌染色体DNA具有复制终止位点，此处可以结合一种特异的蛋白质分子叫做Tus，这个蛋白质可能是通过阻止解链酶(Helicase)的解链活性而终止复制的。详细的机制还不完全清楚。,连接酶的催化反应,四、真核生物DNA复制的特点,1.与原核生物不同，真核生物DNA复制有许多起始点，例如酵母S.cerevisiae的17号染色体约有400个起始点，因此，虽然真核生物DNA复制的速度比原核生物DNA复制的速度慢得多，但复制完全部基因组DNA也只要几分钟的时

36、间。,2.在真核生物DNA复制叉处，需要两种不同的酶。DNA聚合酶(pol)和DNA聚合酶(pol)。pol和引物酶紧密结合，在DNA模板上先合成RNA引物，再由pol延长DNA链，这种活性还要复制因子C参与。同时结合在引物模板上的PCNA(增殖细胞核抗原)此时释放了pol，然后由pol结合到生长链3末端，并与PCNA结合，继续合成前导链。而随从链的合成靠pol紧密与引物酶结合并在复制因子C帮助下，合成冈崎片段(图)。,真核生物DNA复制叉结构示意图,3.由于真核生物染色体是线性DNA，它的两端叫做端区，端区是由重复的寡核苷酸序列构成的，前导链可以连续合成到末端，而由于随从链是以一种不连续的形

37、式合成冈崎片段，所以不能完成线性染色体末端的复制。,3.真核生物体内都存在一种特殊的反转录酶叫做端粒酶，它是由蛋白质和RNA两部分组成的，它以自身的RNA为模板，在随从链模板DNA的3末端延长DNA，再以这种延长的DNA为模板，继续合成随从链(图)。,亚基数44425分子量（KD)25036-38160-300170256细胞内定位核核线粒体核核53聚合活性35外切活性功能复制、引发修复复制复制,真核生物DNA聚合酶,1、大肠杆菌染色体DNA的复制调控,染色体的复制与细胞分裂同步但不直接偶联。复制子由复制起始物位点和复制起点组成。,五、DNA复制的调控,1、大肠杆菌染色体DNA的复制调控,复制

38、起始物位点编码复制调节蛋白质，复制起点与调节蛋白作用启动复制。基因编码的调节蛋白通过与复制复合物的相互作用确定复制起始频率和复制方式。,五、DNA复制的调控,2、质粒DNA的复制调控,ColE1质粒DNA复制不依赖于本身编码的蛋白质，而完全依赖宿主DNA聚合酶。,五、DNA复制的调控,3、真核细胞DNA的复制调控,（1）细胞生活周期水平调控：限制点调控，真核细胞DNA的复制发生在S期，促使细胞由G1期进入S期的多种因子调控；,3、真核细胞DNA的复制调控,（2）染色体水平的调控：决定于复制子。（3）复制子水平的调控：复制子参与的多种因子均可参与调节，主要是复制起始调控，如酵母复制起始受时序调控

39、。,六、DNA的修复,1、错配修复Dam甲基化酶，使位于5GATC序列中腺苷酸的N6位甲基化，使母链在复制起始时很快被甲基化，作为子链修正的依据。当子链中有错配碱基时，修复系统在母链甲基化腺苷酸的上游鸟苷酸5位置切开子链并在切口处启动修复合成子链。,2、碱基切除修复 DNA糖苷消解酶，特异性切除受损DNA上的N 糖苷键，从而形成去除碱基位点（AP位点）。,3、核苷酸切除修复,核苷酸切除修复系统的作用包括DNA切割酶、DNA聚合酶、DNA连接酶等的系统作用。DNA切割酶能在已损伤的DNA核苷酸的5和3位分别切开磷酸糖苷键，产生两个小片段。,4、DNA直接修复,如DNA光解酶的作用、甲基转移酶的作

40、用等。生物体内广泛存在使O6甲基鸟嘌呤脱甲基化的甲基转移酶以防止形成GT配对。,七、DNA的转座（略讲）,DNA的转座：又称移位，是由可移位因子介导的遗传物质重排现象。转座子（Tn)：存在于染色体DNA上可自主复制和位移的基本单位，最简单的为插入序列。,七、DNA的转座（略讲）,1、分类与结构特征 一些小的DNA序列，能移动到细胞基因组的任何部位。IS 末端反向重复序列，转座酶.复合转座子：Tn 带有内酰胺酶编码基因，抗氨苄青霉素.其他：Ty,Copia,Ac-Ds.,2、转座作用机理（p59),受体分子有312bp的能被复制的靶序列DNA，转座子插入其中。复制性转座：整个转座子被复制，所移动

41、和转位的仅仅是原转座子的拷贝。转座酶和解离酶起作用非复制性转座：原转座子作为一个可移动的实体直接被移位。,3、遗传学效应,(1)引起插入突变（2）产生新的基因（3）产生染色体的畸变：同源重组导致缺失或倒位（p59图）（4）引起生物进化：产生新的操纵单元或表达单元。,4、真核生物中的转座子,（1）玉米中的控制因子自主性因子：自主剪接和转座非自主性因子：存在同家族自主性因子时才有转座功能（2）果蝇中的转座子如Copia转座子，能以高速度转录并产生有多聚腺苷化末端的全长RNA。如P转座子，能诱发杂种不育,小结,DNA化学结构DNA结构与复制,复习与作业,1、简述由DNA到染色体的结构变化2、论述DNA二级结构的主要内容3、DNA复制起始有哪些特点?4、原核生物与真核生物中的DNA聚合酶有哪些种类，它 们各自的功能是什么?5、DNA复制时前导链与随从链的合成有哪些不同?6、DNA聚合酶有哪些特点？其作用是如何发生的？7、什么是反转录，有什么生物学意义?主要概念：核小体、ZDNA、DNA聚合酶、拓扑 异构酶、岗崎片段、错配修复、DNA的转座,