大学分子生物学经典ppt课件第二章-染色体与DNA

第二章第二章 染色体与染色体与 DNA第一节第一节 染色体染色体第二节第二节 DNA的结构的结构第三节第三节 DNA的复制的复制第四节第四节 DNA的修复的修复第五节第五节 DNA的转座的转座6/25/20241第二章 染色体与 DNA第一节 染色体8/11/202一、染色体的概述 染色体（chromosome）：是指存在于细胞核中的棒状可染色结构，由染色质（染色质（chromatin）构成。染色质是由构成。染色质是由DNA、RNA和蛋白质形成的复和蛋白质形成的复合体。染色体是一种动态结构，在细胞周期的不合体。染色体是一种动态结构，在细胞周期的不同阶段明显不同。同阶段明显不同。染色体是遗传物质的主要载体亲子代传递量的恒定第一节 染色体6/25/20242一、染色体的概述 染色体（chromosome 不同物种染色体数目存在较大差别，不同物种染色体数目存在较大差别，同一物种内每条染色体所带的同一物种内每条染色体所带的DNA量是一量是一定的，但不同染色体或不同物种之间变化定的，但不同染色体或不同物种之间变化很大。如人的很大。如人的X染色体带有染色体带有1.28亿个核苷亿个核苷酸对，而酸对，而Y染色体只带有染色体只带有0.19亿个核苷酸亿个核苷酸对。对。6/25/20243 不同物种染色体数目存在较大差别，同一物真核生物染色体真核生物染色体1、真核细胞结构、真核细胞结构2、染色体概况、染色体概况 DNA:27%，蛋白质蛋白质:66%，RNA:6%每条染色体只有一每条染色体只有一个个DNA分子分子6/25/20244真核生物染色体1、真核细胞结构8/11/20234非分裂期的染色质在电子显微镜下呈纤维串珠状的长丝 一般说来，染色体只有在细胞有丝分裂过程中，才可在光学显微镜下观察到。6/25/20245非分裂期的染色质在电子显微镜下呈纤维串珠状的长丝 细菌染色体组织细菌染色体组织 没有明显的核区域，没有明显的核区域，细菌基因组仍然是高度细菌基因组仍然是高度致密的。致密的。E.coli溶解时，溶解时，DNA形成大量环形形成大量环形（loops）结构。在活体）结构。在活体细胞中，细胞中，DNA则以高度则以高度致密的状态与蛋白质结致密的状态与蛋白质结合。合。6/25/20246细菌染色体组织8/11/20236 真核细胞染色体的特征：染色体位于细胞核的核仁内。在细胞分裂间期，染色体以较细且松散的染色质形式存在，只有在细胞分裂期，才可在光学显微镜下观察到棒状可染色的染色体。在染色体中，DNA与组蛋白和非组蛋白完全融合在一起。6/25/20247 真核细胞染色体的特征：染色体位于细胞核的核仁 原核细胞染色体的特征:染色体位于类似“核”的结构类核体上；染色体外包裹着稀疏的非组蛋白，不含组蛋白；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的；整个染色体几乎完全由功能基因和调控序列所组成。6/25/20248 原核细胞染色体的特征:染色体位于类似“核”二、真核细胞染色体的组成染色体的特征：染色体的特征：（1 1）分子结构相对稳定；）分子结构相对稳定；（2 2）能够自我复制，使亲子代间保持连续性；）能够自我复制，使亲子代间保持连续性；（3 3）能够指导蛋白质合成，控制整个生命过程；）能够指导蛋白质合成，控制整个生命过程；（4 4）能够产生可遗传的变异。）能够产生可遗传的变异。6/25/20249二、真核细胞染色体的组成染色体的特征：8/11/20239组蛋白组蛋白残基数残基数分子量（分子量（kD）%精精%赖赖种类H121523.0129连接蛋白H2A12914.0911核心蛋白H2B12513.8616核心蛋白H313515.31310核心蛋白H410211.31411核心蛋白 染色体上的蛋白质主要包括组蛋白和非组蛋白。组蛋白是染色体的结构蛋白，它与DNA组成核小体，是一类小的碱性蛋白。1、蛋白质、蛋白质6/25/202410组蛋白残基数分子量（kD）%精%赖种类H121523.012组蛋白的特征组蛋白的特征：1、进化上的极端保守（如、进化上的极端保守（如H3、H4）；）；2、无组织特异性；、无组织特异性；3、肽链上氨基酸分布的不对称性（赖氨酸、精氨酸含、肽链上氨基酸分布的不对称性（赖氨酸、精氨酸含量丰富）；量丰富）；4、组蛋白的修饰作用（甲基化、乙酰化、磷酸化）；、组蛋白的修饰作用（甲基化、乙酰化、磷酸化）；5、富含赖氨酸的组蛋白、富含赖氨酸的组蛋白H5（H5的磷酸化可能在染色的磷酸化可能在染色质的失活过程中起重要作用）。质的失活过程中起重要作用）。6/25/202411组蛋白的特征：8/11/202311 非组蛋白包括酶类及细胞分裂有关的一些蛋白。它们可能与DNA的结构、复制及转录等有关。非组蛋白主要包括：1、HMG蛋白（high mobility group protein)，可能与超螺旋结构有关；2、DNA结合蛋白：可能是一些与DNA的复制或转录的关的酶或调节物；3、A24非组蛋白，肝脏中特有的一组蛋白，与H2A及泛素结构相似，功能不详。6/25/202412 非组蛋白包括酶类及细胞分裂有关的一些蛋白。它们哺乳动物哺乳动物两栖动物两栖动物鸟类鸟类昆虫昆虫线虫线虫霉菌霉菌酵母酵母细菌细菌支原体支原体 各个种类生各个种类生物的最小基因组物的最小基因组与其复杂性正相与其复杂性正相关。关。2、DNA6/25/202413哺乳动物 各个种类生物的最小基因组与其复杂性正相开花植物开花植物鸟类鸟类哺乳动物哺乳动物爬行动物爬行动物两栖类两栖类硬骨鱼硬骨鱼软骨鱼软骨鱼棘皮动物棘皮动物甲壳类甲壳类昆虫昆虫软体动物软体动物线虫线虫霉菌霉菌藻类藻类真菌真菌革兰氏阳性菌革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌革兰氏阴性菌支原体支原体各物种基因组大小比较各物种基因组大小比较 C-值（值（C-value）:一种生物单位体基因组一种生物单位体基因组DNA的总量。的总量。C-值矛盾（值矛盾（C-value paradox）：）：基因组大基因组大小与机体的遗传复杂性小与机体的遗传复杂性缺乏相关性。缺乏相关性。6/25/202414开花植物线虫各物种基因组大小比较 C-值（C-v （1）、）、不重复序列不重复序列：在单倍体基因组中只有一个：在单倍体基因组中只有一个或几个拷贝的或几个拷贝的DNA序列。真核生物的大多数基因在单序列。真核生物的大多数基因在单倍体中都是单拷贝。倍体中都是单拷贝。（2）、）、中度重复序列中度重复序列:每个基因组中每个基因组中10104个拷个拷贝。平均长度为贝。平均长度为300 bp，一般是不编码序列，广泛散，一般是不编码序列，广泛散布在非重复序列之间。可能在基因调控中起重要作用。布在非重复序列之间。可能在基因调控中起重要作用。常有数千个类似序列，各重复数百次，构成一个序列常有数千个类似序列，各重复数百次，构成一个序列家族。大多数高等真核生物的基因组都有家族。大多数高等真核生物的基因组都有10%40%的的中度重复序列。中度重复序列。真核细胞DNA的种类:6/25/202415 （1）、不重复序列：在单倍体基因组中只有一个或(3)、高度重复序列、高度重复序列卫星卫星DNA（satellite DNA）只存在于真核生物中，占基因组的只存在于真核生物中，占基因组的10%60%，由由610个碱基组成。个碱基组成。卫星卫星DNA均位于染色体的着丝均位于染色体的着丝粒。粒。6/25/202416(3)、高度重复序列卫星DNA（satellite DN3、染色质和核小体 染色质：是由许多核小体连成的念珠状结构。实验证据：实验证据：1）染色质中，）染色质中，H2A、H2B、H3、H4的数量大致相等，而的数量大致相等，而H1的数量不超过它们的一半；的数量不超过它们的一半；2）组蛋白组成直径约）组蛋白组成直径约10nm的颗粒，由裸露的的颗粒，由裸露的DNA连接；连接；3）DNA位于核小体的外侧；位于核小体的外侧；染 色 质小球菌核酸酶处理染色质小球菌核酸酶处理染色质6/25/2024173、染色质和核小体 染色质：是由许多核小体连成 4）用小球菌核酸酶处）用小球菌核酸酶处理染色质，得到的理染色质，得到的DNA片段片段为为200bp的整数倍；的整数倍；5）将组蛋白加入）将组蛋白加入SV40的的DNA中，可在体外形成染中，可在体外形成染色质样纤维。其中与一个核色质样纤维。其中与一个核小体结合的小体结合的DNA很接近很接近200bp；缺少；缺少H2A、H2B、H3、H4中任何一种都不能中任何一种都不能形成核小体，形成核小体，H1则不是必需则不是必需的。的。6/25/202418 4）用小球菌核酸酶处理染色质，得到的DNA片段 核小体核小体是组成染色是组成染色质的重复单位，每个核质的重复单位，每个核小体由约小体由约200（160250）bp的的DNA，和，和H2A、H2B、H3、H4各各2个，以及一个个，以及一个H1组组成。成。核小体中组蛋白聚合体组成核小体中组蛋白聚合体组成6/25/202419 核小体是组成染色质的重复单位，每个核小体由约1）核心颗粒结构：）核心颗粒结构：单个核小体继续消化可以把单个核小体继续消化可以把DNA进进一步剪短，释放出一步剪短，释放出H1；剩余的颗粒称；剩余的颗粒称为核心颗粒，由为核心颗粒，由H2A、H2B、H3、H4组成；结合在核心颗粒而不被降解的组成；结合在核心颗粒而不被降解的DNA称为称为核心核心DNA（core DNA）；重；重复单位中除核心复单位中除核心DNA以外的其它以外的其它DNA称为称为连接连接DNA（linker DNA）。双折叠对称盘形，高双折叠对称盘形，高6 nm，直径，直径11 nm;由由(H3)2(H4)2四聚体构成组蛋白四聚体构成组蛋白八聚体核心，顶部和底部各有一八聚体核心，顶部和底部各有一H2A.H2B二聚体二聚体;6/25/2024201）核心颗粒结构：8/11/202320小球菌核酸酶对染色质的持续作用产生各种不同结果小球菌核酸酶对染色质的持续作用产生各种不同结果6/25/202421小球菌核酸酶对染色质的持续作用产生各种不同结果8/11/202）组蛋白）组蛋白H1 H1由两部分组成，由两部分组成，一部分是保守的核心，一部分是保守的核心，一部分是可变的延伸出一部分是可变的延伸出去的去的N 端和端和C 端臂。端臂。DNA进入和离开组进入和离开组蛋白聚合体的位置十分蛋白聚合体的位置十分接近，这由进出两端与接近，这由进出两端与H1结合形成。如没有结合形成。如没有H1，则，则DNA进入和离进入和离开核心颗粒的位置是随开核心颗粒的位置是随机的。机的。6/25/2024222）组蛋白H18/11/202322由核小体串联形成的由核小体串联形成的10 nm 纤丝纤丝30 nm 纤丝纤丝3）、染色质的存在形式：6/25/202423由核小体串联形成的10 nm 纤丝30 nm 纤丝3）、染色 30 nm 纤丝由纤丝由10 nm 纤维卷曲绕成圆筒形线圈，每圈约纤维卷曲绕成圆筒形线圈，每圈约6个个核小体，螺距核小体，螺距11 nm（核小体直径）。这一结构需要（核小体直径）。这一结构需要H1 稳定。稳定。30 nm 纤丝的包装比为纤丝的包装比为40。6/25/202424 30 nm 纤丝由10 nm 纤维卷曲绕成圆 DNA和组蛋白构成核小体，核小体再绕成一个中空的螺线管状结构，这种螺线管状结构（有的部分就是珠状核小体结构）就成为染色质丝。染色质丝再与许多非组蛋白结合形成染色体结构。染色体的包装过程DNA核小体7倍30 nm 纤丝6倍67nm10nm 每圈6个核小体中期染色质中期染色质40倍5 倍染色体单体200 bp DNA6/25/202425 DNA和组蛋白构成核小体，核小体再绕成一个中真核生物基因组的结构特点：真核生物基因组的结构特点：1、基因组庞大；、基因组庞大；2、大量重复序列的存在；、大量重复序列的存在；3、大部分序列为非编码序列；、大部分序列为非编码序列；4、转录产物为单顺反子；、转录产物为单顺反子；5、真核基因是断裂基因；、真核基因是断裂基因；6、真核基因存在大量的顺式作用元件；、真核基因存在大量的顺式作用元件；7、DNA存在多态性；存在多态性；8、具有端粒结构。、具有端粒结构。6/25/202426真核生物基因组的结构特点：1、基因组庞大；8/11/2023pDNA多态性多态性：指：指DNA序列中发生变异而导序列中发生变异而导致的个体间核苷酸序列的差异，主要包括致的个体间核苷酸序列的差异，主要包括单单核苷酸多态性核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)和和串联重复序列多态性串联重复序列多态性(tandem repeats polymorphism)两类。两类。6/25/202427DNA多态性：指DNA序列中发生变异而导致的个体间核苷酸序列三、原核生物基因组及其特点1、原核生物的遗传物质 原核生物的遗传物质只以裸露的核酸分子存在，且与少量的非组蛋白结合，但不形成染色体结构，习惯上把原核生物的核酸分子也称为染色体。6/25/202428三、原核生物基因组及其特点1、原核生物的遗传物质8/11/22、原核生物基因组的、原核生物基因组的特点特点（1）结构简练结构简练 其其DNA分子绝大多数用于编码蛋白分子绝大多数用于编码蛋白质，不翻译的序列只占质，不翻译的序列只占4%，并且编码序列是连续，并且编码序列是连续的；的；（2）存在转录单元存在转录单元 功能上密切相关的基因构成操功能上密切相关的基因构成操纵子或高度集中，并且可被一起转录；纵子或高度集中，并且可被一起转录；（3）重叠基因重叠基因和和基因内基因基因内基因 即同一段即同一段DNA序列能序列能携带两种不同蛋白质的遗传信息。携带两种不同蛋白质的遗传信息。6/25/2024292、原核生物基因组的特点8/11/202329小 结一、染色体一、染色体染色体的概念染色体的概念真核、原核染色体的特征真核、原核染色体的特征6/25/202430小 结一、染色体染色体的概念真核、原核染色体的特征8/11 真核细胞染真核细胞染色体的组成色体的组成蛋白质蛋白质组蛋白种类、特性组蛋白种类、特性非组蛋白非组蛋白DNAC值值C值矛盾值矛盾DNA的种类的种类不重复序列不重复序列中度重复序列中度重复序列高度重复序列高度重复序列染色质和核小体染色质和核小体核小体的概念核小体的概念染色体的包装染色体的包装6/25/202431 真核细胞染色体的组成蛋白质组蛋白种类、特性非组蛋白DNA三、真核生物、原核生物基因组结构的特点三、真核生物、原核生物基因组结构的特点6/25/202432三、真核生物、原核生物基因组结构的特点8/11/202332核苷酸结构核苷酸结构第二节 DNA的结构6/25/202433核苷酸结构第二节 DNA的结构8/11/2023331、DNA的一级结构：是指4种核苷酸的排列顺序，表示了该DNA分子的化学组成。又由于4种核苷酸的差异仅仅是碱基的不同，因此又是指碱基的排列顺序。6/25/2024341、DNA的一级结构：是指4种核苷酸的排列顺序，表示了该DN基本特点：基本特点：（1）由两条互相平行的脱氧核苷酸链盘绕而成；）由两条互相平行的脱氧核苷酸链盘绕而成；（2）两条主链的脱氧核糖和磷酸由）两条主链的脱氧核糖和磷酸由3,5磷酸二酯磷酸二酯键交互连接而成，排在外侧，构成基本骨架；碱键交互连接而成，排在外侧，构成基本骨架；碱基位于内侧；基位于内侧；（3）两条链上的碱基通过氢键结合，形成碱基对，）两条链上的碱基通过氢键结合，形成碱基对，碱基必须以碱基必须以A-T、C-G配对；配对；6/25/202435基本特点：8/11/2023352、DNA的二级结构：是指两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构。DNA的二级结构的二级结构右手螺旋右手螺旋左手螺旋左手螺旋A-DNAB-DNAZ-DNA6/25/2024362、DNA的二级结构：是指两条多核苷酸链反DNA的二级结构6/25/2024378/11/202337 两条主链的脱氧核糖和磷酸两条主链的脱氧核糖和磷酸由由3,5磷酸二酯键交互连接而成；磷酸二酯键交互连接而成；碱基位于内侧；碱基必须以碱基位于内侧；碱基必须以A-T、C-G配对；配对；直径：直径：2.0 nm；螺距：螺距：3.4 nm；每匝每匝 10 bp/10.5bp；大沟含较多信息，为复制，转录部位；小沟具大沟含较多信息，为复制，转录部位；小沟具一定调节功能。一定调节功能。6/25/202438 两条主链的脱氧核糖和磷酸由3,5磷酸二酯键DNA双螺旋结构的多态性6/25/202439DNA双螺旋结构的多态性8/11/202339 B-DNA（含水量（含水量92%）脱水后变形为）脱水后变形为A-DNA（含水（含水75%），相邻），相邻磷酸间距缩小，每匝增为磷酸间距缩小，每匝增为11 bp。总体变得宽而短；。总体变得宽而短；大沟变细、加深；小沟变大沟变细、加深；小沟变得宽而浅。得宽而浅。A-DNA 通常通常DNA在细胞中以在细胞中以B-DNA形式存在，但可能形式存在，但可能发生改变；发生改变；DNA-RNA杂交分子呈杂交分子呈A型。型。6/25/202440 B-DNA（含水量92%）脱水后变形为A-DNZ-DNA与与B-DNA的比较的比较 最大区别：最大区别：Z-DNA为为左旋左旋！由部分碱基平面反转所致。由部分碱基平面反转所致。螺距螺距4.5 nm，每对碱基上升，每对碱基上升0.37 nm，每匝，每匝12 bp。主链变的。主链变的不平滑，从之字形。不平滑，从之字形。Z-DNA Z-DNA在邻近调控系统，抑制转录；在远离调在邻近调控系统，抑制转录；在远离调控区，激活转录的起始。所以，控区，激活转录的起始。所以，Z-DNA可能与基可能与基因的因的调控调控有关。有关。6/25/202441Z-DNA与B-DNA的比较Z-DNA Z-DNADNABDNAZDNA螺旋方向螺旋方向右右右右左左每匝碱基数每匝碱基数111012每碱基对上升距离每碱基对上升距离0.26 nm0.34 nm0.37 nm螺距螺距2.8 nm3.4 nm4.5 nm每碱基对在螺旋中每碱基对在螺旋中旋转角度旋转角度3336-60总尺寸总尺寸短而宽短而宽较长而细较长而细长而细长而细大沟大沟细而深细而深宽而中等深宽而中等深平伏于螺旋表面平伏于螺旋表面小沟小沟宽而浅宽而浅窄而中等深窄而中等深很窄很深很窄很深三种三种DNA结构特性比较结构特性比较6/25/202442ADNABDNAZDNA螺旋方向右右左每匝碱基数1113、DNA的高级结构 DNA的高级结构是指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。1965 年首次发现绝大多数的年首次发现绝大多数的原核生物原核生物DNA为共价闭合环状为共价闭合环状DNA（covalently closed circle，cccDNA），经进一步螺旋化，），经进一步螺旋化，成为成为超螺旋结构超螺旋结构。之后发现，几。之后发现，几乎所有的乎所有的DNA分子，包括线形分分子，包括线形分子，具超螺旋结构。子，具超螺旋结构。6/25/2024433、DNA的高级结构 DNA的高级结构是指DNAL =T +WL(linking number，连接数，连接数)：一股链绕另一股链盘绕：一股链绕另一股链盘绕的次数。在闭合分子双链的共价键不发生断裂时保持不的次数。在闭合分子双链的共价键不发生断裂时保持不变，为分子的拓扑学常数。变，为分子的拓扑学常数。T(twisting number，盘绕数，盘绕数)：代表一股链绕旋转轴所：代表一股链绕旋转轴所做的完整的旋转数。即做的完整的旋转数。即DNA双螺旋的匝数，等于碱基双螺旋的匝数，等于碱基数数每匝碱基数。每匝碱基数。W(writhing number，超盘绕数，超盘绕数)：代表双螺旋轴在空：代表双螺旋轴在空间上的转动数。即直观上的超螺旋数。间上的转动数。即直观上的超螺旋数。分子内发生扭转时，张力导致超螺旋形成。分子内发生扭转时，张力导致超螺旋形成。超螺旋的形成原因超螺旋的形成原因6/25/202444L =T +W分子内发生扭转时，张力导致超螺旋形 正超螺旋（正超螺旋（positive supercoil）：由于双链：由于双链紧缠而引起的超螺旋。紧缠而引起的超螺旋。负超螺旋（负超螺旋（negaive supercoil）：由于双链：由于双链松缠而引起的超螺旋。松缠而引起的超螺旋。两种超螺旋的自由能均高于松弛状态。两种超螺旋的自由能均高于松弛状态。天然原核生物天然原核生物DNA都呈负超螺旋；都呈负超螺旋；在体外可形成正超螺旋，如加入溴乙锭，可引入在体外可形成正超螺旋，如加入溴乙锭，可引入正超螺旋。正超螺旋。DNA的几种超螺旋的状态：的几种超螺旋的状态：6/25/202445 正超螺旋（positive supercoi紧缠而引起紧缠而引起正超螺旋正超螺旋右手螺旋的右手螺旋的DNA顺时针方向旋转顺时针方向旋转自由末端自由末端逆时针方向旋逆时针方向旋转自由末端转自由末端松缠而松缠而引起负引起负超螺旋超螺旋逆时针方向旋转逆时针方向旋转松缠而引起松缠而引起负超螺旋负超螺旋紧缠而引起紧缠而引起正超螺旋正超螺旋顺时针方向旋转顺时针方向旋转6/25/202446紧缠而引起正超螺旋右手螺旋的DNA顺时针方向旋转自由末端逆时质粒的松弛状态和质粒的松弛状态和超螺旋状态超螺旋状态超螺旋分子的电泳超螺旋分子的电泳迁移速率提高迁移速率提高超螺旋对分子迁移的影响超螺旋对分子迁移的影响6/25/202447质粒的松弛状态和超螺旋分子的电泳超螺旋对分子迁移的影响8/1 超螺旋可形成高度致密状态，从而得以容纳于超螺旋可形成高度致密状态，从而得以容纳于有限的空间内。有限的空间内。活体中，活体中，DNA的构象是动态的。的构象是动态的。B-DNA是一种是一种稳定结构，引入负超螺旋可提高其能量水平，影响稳定结构，引入负超螺旋可提高其能量水平，影响DNA结构变化。如有助于在特定区域的结构转化、结构变化。如有助于在特定区域的结构转化、使使DNA双链分开等。双链分开等。超螺旋的生物学意义超螺旋的生物学意义6/25/202448 超螺旋可形成高度致密状态，从而得以容纳于有限的功能功能：催化：催化DNA分子拓扑异构体之间的分子拓扑异构体之间的相互转化。相互转化。作用机制作用机制：切开磷酸二酯键，在主链上造：切开磷酸二酯键，在主链上造成切口，通过改变连接数（成切口，通过改变连接数（L）来改变超）来改变超螺旋状态。螺旋状态。分类分类：I 型拓扑异构酶型拓扑异构酶：每次切开一股链。：每次切开一股链。II 型拓扑异构酶型拓扑异构酶：每次切开双股链。既可：每次切开双股链。既可消除负超螺旋，又可消除正超螺旋。需要消除负超螺旋，又可消除正超螺旋。需要ATP，使分子，使分子 L值每次变化值每次变化2。DNA拓扑异构酶拓扑异构酶（DNA topoisomerase）二型拓扑异构酶的作用二型拓扑异构酶的作用6/25/202449功能：催化DNA分子拓扑异构体之间的相互转化。DNA拓扑异构小小 结结DNA的一级结构的一级结构DNA的二级结构的二级结构基本特征基本特征分类分类DNA的高级结构的高级结构概念概念特点特点概念概念概念概念分类分类6/25/202450小 结DNA的一级结构DNA的二级结构基本特征分类DNA的一、复制的概貌一、复制的概貌DNA复制的半保留性复制的半保留性三种可能的方式：三种可能的方式：全保留复制全保留复制（conservative replication）半保留复制半保留复制（semiconservative replication）弥散复制弥散复制（dispersive replication）第三节 DNA的复制6/25/202451一、复制的概貌DNA复制的半保留性三种可能的方式：第三节 母链中的全部置换为母链中的全部置换为 15N，然，然后让后让E.coli在仅含有在仅含有 14N的培养基的培养基上进行复制。上进行复制。Meselson&Stahl,1958)半保留复制半保留复制：每个子代分：每个子代分子的一条链来自亲代子的一条链来自亲代DNA,另一条则是新合成的，这另一条则是新合成的，这种复制方式称为种复制方式称为DNA的半的半保留复制（保留复制（semiconservative replication)。6/25/202452 母链中的全部置换为 15N，然后让E.col复制原点（复制原点（origin）:DNA分子复制的特定起点。分子复制的特定起点。复制方向可以是单向或者双向复制方向可以是单向或者双向二、复制的起点、方向和速度 对一个生物体而言，复制的起点是固定的，复制叉移动的方向和速度以双向等速为主。6/25/202453复制原点（origin）:复制方向可以是单向或者双向二、复制复制叉（复制叉（replication fork）:正在进行复制的复制起点呈正在进行复制的复制起点呈现叉子的形式，称为复制叉。现叉子的形式，称为复制叉。复制眼（复制眼（replication eye）:DNA复制的部分看上去象一复制的部分看上去象一只眼睛，称为复制眼。只眼睛，称为复制眼。复制子（复制子（replicon）：生物体：生物体的复制单位称为复制子。的复制单位称为复制子。6/25/202454复制叉（replication fork）:复制眼（repl三、三、DNA复制的几种方式复制的几种方式1、线性DNA双链的复制 所有已知的核酸聚合酶，无论是所有已知的核酸聚合酶，无论是DNA聚合酶还聚合酶还是是RNA聚合酶都只从聚合酶都只从5端向端向3 端移动，新链的合成端移动，新链的合成方向与聚合酶移动方向一致，即是方向与聚合酶移动方向一致，即是5 3 ；而对于而对于DNA的合成必需一段的合成必需一段引物引物的存在，体内的存在，体内DNA复制时，由一段复制时，由一段RNA引物起始引物起始DNA合成，起始合成，起始后它必须切除，切除后，后它必须切除，切除后，5 端如何起始呢？端如何起始呢？这就提出了这就提出了线性线性DNA末端复制末端复制的问题。的问题。6/25/202455三、DNA复制的几种方式1、线性DNA双链的复制 The rolling circle replicates DNAPhage（1）将线性将线性DNA分子转变为环状或多聚分子分子转变为环状或多聚分子（末（末端简并性是前提条件，如端简并性是前提条件，如T4噬菌体）；噬菌体）；6/25/202456The rolling circle replicates 6/25/2024578/11/202357（2）DNA末端发末端发夹结构的形成，如夹结构的形成，如（草履虫的线性线（草履虫的线性线粒体）；粒体）；6/25/202458（2）DNA末端发夹结构的形成，如（草履虫的线性线粒体）；8（3）在某种蛋白的）在某种蛋白的介入下，在真正的末介入下，在真正的末端起始复制，（如端起始复制，（如29噬菌体和腺病毒噬菌体和腺病毒DNA）。）。6/25/202459（3）在某种蛋白的介入下，在真正的末端起始复制，（如29噬2、环状DNA双链的复制（1）型型复制体如，大肠肝菌质粒如，大肠肝菌质粒DNA的复制。的复制。6/25/2024602、环状DNA双链的复制（1）型复制体如，大肠肝菌质粒D（2）滚环型复制）滚环型复制如：如：X174X174在原点割切；在原点割切；共价延伸；共价延伸；切下被替换的单链。切下被替换的单链。6/25/202461（2）滚环型复制在原点割切；8/11/202361（3 3）D-D-环形环形环形环形如动物线粒体如动物线粒体DNA的复制的复制 双链环在固定点解开进双链环在固定点解开进行复制，但两条链合成速度行复制，但两条链合成速度高度不一致，其中一条进行高度不一致，其中一条进行复制，另一条则成为游离的复制，另一条则成为游离的单链环（即单链环（即D环）。两条链环）。两条链复制起点不同复制起点不同。6/25/202462（3）D-环形如动物线粒体DNA的复制8/11/202362四、原核生物和真核生物DNA复制的特点1、大肠杆菌、大肠杆菌DNA复制复制原核生物每个原核生物每个DNA 分子只有一个复制原点。分子只有一个复制原点。复制原点序列特征复制原点序列特征4个个9 bp重复序列，重复序列，3个个13 bp重复序列，重复序列，都富含都富含A-T对。对。6/25/202463四、原核生物和真核生物DNA复制的特点1、大肠杆菌DNA复制（1）DNA双螺旋的解旋 DNA的解链过程，首先在拓扑异构酶I的作用下解开负超螺旋，并与解链酶共同作用，在复制起点处解开双链。一旦局部解开双链，就必须有单链结合蛋白(SSB)来稳定解开的单链，以保证核苷酸局部不会恢复成双链。接着由引发酶等组成的引发体迅速作用于两条单链DNA上。6/25/202464（1）DNA双螺旋的解旋 DNA的解链过程，首a、DNA解链酶解链酶 DNA解链酶能通过水解解链酶能通过水解ATP获得能量来获得能量来解开双链解开双链DNA。大部分解链酶沿后随链模板的大部分解链酶沿后随链模板的53 方向方向并随着复制叉的前并随着复制叉的前进而移而移动；Rep蛋白是沿前蛋白是沿前导链模板的模板的3 5 方向方向移移动。6/25/202465a、DNA解链酶 DNA解链酶能通过水b、单链结合蛋白、单链结合蛋白 SSB以四聚体的形式结合在单链以四聚体的形式结合在单链DNA的复的复制叉处，其作用是保证被解链酶解开的单链在制叉处，其作用是保证被解链酶解开的单链在复制完成前保持单链结构。复制完成前保持单链结构。SSB与与DNA的结合能力在原核生物中表现的结合能力在原核生物中表现协同效应，而在真核生物中则不表现协同效应。协同效应，而在真核生物中则不表现协同效应。6/25/202466b、单链结合蛋白 SSB以四聚体的形式结c、DNA拓扑异构酶拓扑异构酶 天然状态下，天然状态下，DNA以负超螺旋的形式存在，以负超螺旋的形式存在，易形成部分单链结构，利于易形成部分单链结构，利于DNA与蛋白质的结与蛋白质的结合。合。在在DNA复制过程中形成正超螺旋，拓扑异复制过程中形成正超螺旋，拓扑异构酶能够消除解链造成正超螺旋的堆积，消除构酶能够消除解链造成正超螺旋的堆积，消除阻碍解链进行的压力，使复制继续进行。阻碍解链进行的压力，使复制继续进行。6/25/202467c、DNA拓扑异构酶 天然状态下，DNA（2）、）、DNA复制的引发复制的引发 DNA 复制时，往往先由复制时，往往先由RNA聚合酶在聚合酶在DNA模板上合成一段模板上合成一段RNA引物，再由引物，再由DNA聚合酶从聚合酶从RNA引物引物3，端开始合成新的端开始合成新的DNA链。链。后随链的引发过程由后随链的引发过程由引发体引发体来完成，引发体由来完成，引发体由6种蛋白质种蛋白质n、n,、n,、DnaB、C和和I共同组成，共同组成，6种蛋白质合在一起形成引发前体，引发前体与引种蛋白质合在一起形成引发前体，引发前体与引发酶进一步组装成引发体才能发挥其功效。发酶进一步组装成引发体才能发挥其功效。6/25/202468（2）、DNA复制的引发 DNA 复制时，往往先由 引发酶是引发酶是dnaG基因基因的产物，是在特定条件的产物，是在特定条件下发挥作用的下发挥作用的RNA聚合酶，仅用于合成聚合酶，仅用于合成DNA复复制所需的一小段制所需的一小段RNA。DNA聚合酶聚合酶在在RNA引物的引物的3末端继续合末端继续合成成DNA链，一直至下一个引物或冈崎片段。由链，一直至下一个引物或冈崎片段。由RNase H降解降解RNA引物并由引物并由DNA聚合酶聚合酶将缺将缺口补齐，再由口补齐，再由DNA连接酶将两个冈崎片段连接连接酶将两个冈崎片段连接在一起形成大分子在一起形成大分子DNA。6/25/202469 引发酶是dnaG基因的产物，是在特定起始过程起始过程：a、大约、大约20个个DnaA蛋白在蛋白在ATP的作的作用下与用下与oriC处的处的4个个9bp重复序列结重复序列结合；合；b、在、在HU蛋白和蛋白和ATP的共同作用下，的共同作用下，DnaA蛋白使蛋白使13bp序列变性，形成单序列变性，形成单链；链；C、DnaB（解链酶）六体分别与单（解链酶）六体分别与单链链DNA结合（需要结合（需要DnaC 的帮助），），进一步解开进一步解开DNA双链；双链；d、DnaG进入，合成进入，合成引物引物。其它蛋白：其它蛋白：SSB，DNA聚合酶作用。聚合酶作用。6/25/202470起始过程：8/11/202370两股新合成链都是按两股新合成链都是按53方向合成。方向合成。（3）冈崎片段与半不连续复制）冈崎片段与半不连续复制6/25/202471两股新合成链都是按53方向合成。（3）冈崎片段与半不连前前导链（导链（leading strand）：）：随着亲本双链体的解开而随着亲本双链体的解开而连续进行复制的链，称为前导链；连续进行复制的链，称为前导链；后随链（后随链（lagging strand）：）：一段亲本一段亲本DNA单链首先单链首先暴露出来，然后以与复制叉移动相反的方向、按照暴露出来，然后以与复制叉移动相反的方向、按照5 3方向合成一系列短方向合成一系列短DNA片段，然后再将它片段，然后再将它们连接接成完整的成完整的链，称，称为后随后随链。后随链不连续合成形成的短后随链不连续合成形成的短DNA片段，称为片段，称为冈崎片段冈崎片段（Okazaki fragment）。）。6/25/202472前导链（leading strand）：随着亲本双链体的解开冈崎片段的连接冈崎片段的连接DNA Pol I，ligase6/25/202473冈崎片段的连接DNA Pol I，ligase8/11/20(4)、DNA复制的终止复制的终止大肠杆菌大肠杆菌DNA复制的终止复制的终止 当复制叉遇到约当复制叉遇到约22个碱基的重复性个碱基的重复性终止子终止子序序列（列（Ter)时，时，Tus-Ter复合物能使复合物能使DnaB不再将不再将DNA解链，阻挡复制叉的继续前移，等到相反方向的解链，阻挡复制叉的继续前移，等到相反方向的复制叉达到后停止复制。复制叉达到后停止复制。6/25/202474(4)、DNA复制的终止大肠杆菌DNA复制的终止 停止复制后，其间仍有停止复制后，其间仍有50100 bp未被复制，由修复未被复制，由修复方式填补空缺，然后两条链方式填补空缺，然后两条链解开。解开。在拓扑异构酶在拓扑异构酶的作用的作用下使复制叉解体，释放子链下使复制叉解体，释放子链DNA。6/25/202475 停止复制后，其间仍有50100 bp未被复制（5）、）、DNA聚合酶聚合酶DNA聚合酶聚合酶 Iklenow片段（片段（2/3的的C端）端）DNA聚合酶聚合酶活性活性3-5核酸外核酸外切酶活性切酶活性N端：端：5-3核酸外切酶活性核酸外切酶活性切除嘧啶切除嘧啶二聚体二聚体除去除去RNA引物引物6/25/202476（5）、DNA聚合酶DNA聚合酶 Iklenow片段（2/q DNA聚合酶聚合酶 II（DNA Polymerase II,Pol II）具具DNA聚合酶活性聚合酶活性，但活力很低；，但活力很低；具具3-5核酸外切酶活性核酸外切酶活性，可起校正作用，它的主要，可起校正作用，它的主要生理功能是修复生理功能是修复DNA。q DNA聚合酶聚合酶 III（DNA Polymerase III,Pol III）具具DNA聚合酶活性，聚合酶活性，活力较强；活力较强；具具3-5核酸外切酶活性核酸外切酶活性，可起校正作用，它是大肠杆，可起校正作用，它是大肠杆菌菌DNA复制中链延长反应的主导聚合酶。复制中链延长反应的主导聚合酶。6/25/202477 DNA聚合酶 II（DNA Polymerase II,p DNA聚合酶聚合酶和和分别由分别由dinB和和umuD2C基因基因编码，主要在，主要在SOS修复修复过程中程中发挥作用。作用。6/25/202478 DNA聚合酶和分别由dinB和umuD2C基因编码，大肠杆菌大肠杆菌DNA聚合酶聚合酶 I、II 和和 III 的性质比较的性质比较性质性质聚合酶聚合酶I聚合酶聚合酶II聚合酶聚合酶III3-5 外切外切5-3外切外切新生链合成新生链合成生物学活性生物学活性10.05156/25/202479大肠杆菌DNA聚合酶 I、II 和 III 的性质比较性质聚 含多个复制原点，含多个复制原点，即含多个复制子。即含多个复制子。一般为双向移动一般为双向移动 各个复制子在完全完成复制之前，起始点上DNA的复制不能再开始。复制特点：复制特点：2、真核生物、真核生物DNA的复制的复制6/25/202480 含多个复制原点，即含多个复制子。一般为双向移动 p 真核生物的复制子相对较小，其长度为真核生物的复制子相对较小，其长度为40100 kb。p 自主性复制序列（自主性复制序列（autonomous replication sequence,ARS）：）：真核生物真核生物DNA的复制起始位点。的复制起始位点。p ARS的特点：具有一个的特点：具有一个A区，该区含有区，该区含有11个个A-T碱基碱基对的保守序列。对的保守序列。p 真核生物真核生物DNA复制的起始需要复制的起始需要起始点识别复合物起始点识别复合物（origin recognition complex,ORC)结合于结合于ARS，ORC是是由由6种蛋白质组成的启动复合物。种蛋白质组成的启动复合物。6/25/202481 真核生物的复制子相对较小，其长度为40100 kb。自p 复制原点的平均距离（复制子平均大小）同一基因组复制原点的平均距离（复制子平均大小）同一基因组内的差异很大。内的差异很大。Yeast/fly:40 kb;animal:100 kbp 复制平均速度：复制平均速度：2,000 bp/min(对比对比E.coli:50,000 bp/min)，还不到大肠肝菌的，还不到大肠肝菌的1/20。p 在任意时刻，通常只有少数（在任意时刻，通常只有少数（15%）复制子工作）复制子工作p只有一部分用于起始复制，另有一部分有时使用。只有一部分用于起始复制，另有一部分有时使用。复制子的长度不是固定不变的。复制子的长度不是固定不变的。6/25/202482 复制原点的平均距离（复制子平均大小）同一基因组内的差异很真核生物真核生物DNA聚合酶的比较聚合酶的比较性质性质DNA聚聚合酶合酶DNA聚聚合酶合酶DNA聚合聚合酶酶DNA聚合聚合酶酶DNA聚聚合酶合酶亚基数亚基数41223 1在细胞内在细胞内分布分布核内核内核内核内线粒体线粒体核内核内核内核内功能功能DNA引引物合成物合成损伤修损伤修复复线粒体线粒体DNA复制复制主要主要DNA复制酶复制酶复制修复制修复复(补齐补齐缺口缺口)3-5 外切外切5-3外切外切6/25/202483真核生物DNA聚合酶的比较性质DNA聚合酶DNA聚合酶D真核生物真核生物DNA的复制：的复制：聚合酶聚合酶复合体复合体在复制叉上存在在复制叉上存在聚合酶聚合酶复合体复合体聚合酶聚合酶和和复合体复合体与与延伸前导链延伸前导链延伸冈崎片段延伸冈崎片段6/25/202484真核生物DNA的复制：聚合酶复合体在复制叉上存在聚合酶复冈崎片段冈崎片段RNA引物的去除引物的去除RNA酶酶H1在靠近在靠近RNA与与DNA连接处切开引物连接处切开引物具有具有5-3外切酶活性的外切酶活性的FEN1蛋白蛋白降解降解RNA片段片段DNA连接酶连接酶将相邻的冈崎片段连接起来将相邻的冈崎片段连接起来6/25/202485冈崎片段RNA引物的去除RNA酶H1在靠近RNA与DNA连接防止染色体部分缺失的机制防止染色体部分缺失的机制端粒结构端粒结构端粒酶端粒酶 如如端粒酶端粒酶具有反转录酶活性，能利用自身携具有反转录酶活性，能利用自身携带的带的RNA链作为模板，以链作为模板，以dNTP为原料，以反转为原料，以反转录方式催化合成模板后随链录方式催化合成模板后随链5端端DNA片段或外加片段或外加重复重复单位，以位，以维持端粒一定的持端粒一定的长度，防止染色体度，防止染色体的缺失的缺失损伤。6/25/202486防止染色体部分缺失的机制端粒结构端粒酶 如端粒3、DNA复制的调控 在不同养分条件的培养基中培养的在不同养分条件的培养基中培养的E.coli，其分，其分裂周期变化极大，可在裂周期变化极大，可在20 min 10 h之间变化；但之间变化；但DNA的复制周期总是稳定在的复制周期总是稳定在40 min左右。左右。DNA复制数复制数量的不同主要是由复制叉的多少决定的。复制叉的多量的不同主要是由复制叉的多少决定的。复制叉的多少又是由复制起始的频率决定的。复制起始频率的直少又是由复制起始的频率决定的。复制起始频率的直接调控因子是蛋白质和接调控因子是蛋白质和RNA。E.coli细胞分裂周期与细胞分裂周期与DNA复制的协调复制的协调（1）原核生物）原核生物DNA复制的调控复制的调控6/25/2024873、DNA复制的调控 在不同养分条件的培养基中（2）真核生物DNA复制的调控S 期：以第一期：以第一个复制子激活个复制子激活复制起始为标复制起始为标志。志。q 细胞生活周期水平的调控（限制点调控）一些外部分因素和细胞因子参与限制点控制。6/25/202488（2）真核生物DNA复制的调控S 期：以第一个复制子激活复制q 染色体水平的调控 在任意时刻，通常只有少数（在任意时刻，通常只有少数（15%）复制子工）复制子工作，这种合成的先后顺序，是由什么来决定的呢？作，这种合成的先后顺序，是由什么来决定的呢？q 复制子水平的调控 决定复制的起始与否，包括复制起始复合物的合成和引物合成等阶段。6/25/202489 染色体水平的调控 在任意时刻，通常只有少数（小小 结结1、DNA复制的概貌复制的概貌半保留复制半保留复制2、复制的起点、方向和速度、复制的起点、方向和速度3、DNA复制的几种方式复制的几种方式线性线性DNA双链的复制双链的复制环状环状DNA双链双链4、原核生物、原核生物DNA的复制的复制5、真核生物、真核生物DNA的复制的复制6、DNA复制的调控复制的调控6/25/202490小 结1、DNA复制的概貌半保留复制2、复制的起点、方向第四节第四节 DNA的修复的修复一、错配修复（又称甲基指导的错配修复）错配修复是按模板的遗传信息来修复错配碱基的，修复时先要区分模板链和复制链。这是通过碱基的甲基化来实现的。Dam甲基化酶能使位于5 GATC序列中腺序列中腺苷酸的苷酸的N6位甲基化，位甲基化，半甲基化半甲基化DNA是识别模是识别模板链和新合成链的基础。板链和新合成链的基础。6/25/202491第四节 DNA的修复一、错配修复（又称甲基指导的错配修复）发现碱基错配在水解ATP的作用下，MutS，MutL与碱基错配位点的DNA双链结合Muts-MutL在DNA双链上移动，发现甲基化后由MutH切开非甲基化的子链6/25/202492发现碱基错配在水解ATP的作用下，MutS，MutL与碱基错6/25/2024938/11/202393二、切除修复二、切除修复碱碱基基切切除除修修复复核核苷苷酸酸切切除除修修复复B-磷酸糖苷键磷酸糖苷键N-糖苷键糖苷键AP位点位点糖苷水解酶糖苷水解酶6/25/202494二、切除修复B-磷酸糖苷键N-糖苷键AP位点糖苷水解三、重组修复三、重组修复 机体细胞对在起始复制时尚未修复的机体细胞对在起始复制时尚未修复的DNA损伤部位可以先复制再修复。损伤部位可以先复制再修复。原理原理：先从同源：先从同源DNA母链上将相应核母链上将相应核苷酸序列片段移至子链缺口，然后再用新苷酸序列片段移至子链缺口，然后再用新合成的序列补上母链缺口。合成的序列补上母链缺口。6/25/202495三、重组修复 机体细胞对在起始复制时尚未在在DNA光解酶光解酶的作的作用下将环丁烷胸腺用下将环丁烷胸腺嘧啶二体和嘧啶二体和6-4光化光化物还原成为单体。物还原成为单体。甲基转移酶甲基转移酶使使O6-甲基鸟嘌呤脱甲基甲基鸟嘌呤脱甲基生成鸟嘌呤，防止生成鸟嘌呤，防止G-T配对。配对。四、四、DNA的直接修复的直接修复(direct repair)6/25/202496在DNA光解酶的作用下将环丁烷胸腺嘧啶二体和6-4光化物还原五、五、SOS反应反应 SOS反应是细胞反应是细胞DNA受到损伤或复制受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，细胞为求生系统受到抑制的紧急情况下，细胞为求生存而产生的一种应急措施。存而产生的一种应急措施。主要包括：主要包括：（1）DNA的修复；（的修复；（2）产）产生变异。生变异。6/25/202497五、SOS反应 SOS反应是细胞DNA受第五节第五节 DNA的转座的转座1983年诺贝尔生理年诺贝尔生理和医学奖和医学奖 Barbara McClintock（19021992）6/25/202498第五节 DNA的转座1983年诺贝尔生理和医学奖 Barb DNA的转座的转座：又称移位（：又称移位（transposition)，是由可，是由可移位因子介导的遗传物质重排现象。移位因子介导的遗传物质重排现象。转座子（转座子（transposon）：存在与染色体：存在与染色体DNA上可上可自主复制和移位的基本单位。自主复制和移位的基本单位。6/25/202499 DNA的转座：又称移位（transposition)，是由1、插入序列插入序列(IS因子因子)插入序列（插入序列（insertion sequence，IS）是最简）是最简单的转座子，不含有任何宿主基因，是细菌染色体单的转座子，不含有任何宿主基因，是细菌染色体和质粒和质粒DNA的正常组成部分。的正常组成部分。命名：命名：IS+鉴定类型；鉴定类型；插入特定序列：插入特定序列：:IS1，表示插入，表示插入的的IS1元件。元件。一、转座子的分类和结构6/25/20241001、插入序列(IS因子)一、转座子的分类和结构8/11/20IS的一般结构的一般结构长度较小长度较小(约约1 kb);具有编码自身移动的酶具有编码自身移动的酶-转座酶转座酶（transposase）；含一对含一对反向末端重复序反向末端重复序列（列（inverted terminal repeats）。在靶位点产生一在靶位点产生一正向重正向重复序列。复序列。6/25/2024101IS的一般结构8/11/20231012、复合型转座子、复合型转座子 除含有转座所需的酶外，除含有转座所需的酶外，还编码其它基因（还编码其它基因（eg.抗药抗药基因）的转座子。基因）的转座子。复合转座复合转座子具有子具有IS 模块。模块。基本结构基本结构：其它基因位于中：其它基因位于中央区；两侧各连接一由央区；两侧各连接一由IS模模块组成的块组成的“臂臂”；两个；两个IS序列序列相同或高度同源。相同或高度同源。命名：命名：Tn+数字数字6/25/20241022、复合型转座子8/11/20231023、TnA家族转座子家族转座子 TnA：复合转座子，较大（：复合转座子，较大（5 kb），无），无IS类型元件。两端有类型元件。两端有38 bp的反向重复序列（的反向重复序列（IR）；）；转座后产生转座后产生5 bp正向重复序列。正向重复序列。与转座相关的酶：与转座相关的酶：转座酶（转座酶（transposase），由），由tnpA编码，；编码，；解离酶（解离酶（resolvase），由），由tnpR编码。编码。6/25/20241033、TnA家族转座子8/11/2023103TnA转座子家族的转座子家族的结构结构基因：基因：tnpA：转座酶，：转座酶，tnpR：解离酶，：解离酶，ampR：内酰氨酶末端末端LR(反向重复序列）反向重复序列）序列；序列；res位点：位点：TnpR的特异的特异拆分位点。拆分位点。6/25/2024104TnA转座子家族的结构8/11/2023104二、转座的类型1、复制型转座：、复