第二章染色体与ppt课件

第二章染色体与第二章染色体与1优选第二章染色体与优选第二章染色体与2 染色体在不同的细胞周期有不同的形态表现。在细胞大部分时间的分裂间期表现为染色质(chromatin)。染色质是细胞核内可以被碱性染料着色的一类非定形物质。它以双链DNA为骨架，与组蛋白(hilston)、非组蛋白(non-histon)以及少量的各种RNA等共同组成丝状结构。在染色质中，DNA和组蛋白的组成非常稳定，非组蛋白和RNA随细胞生理状态不同而有变化。在细胞分裂期，染色质纤丝经多级螺旋化形成一种有固定形态的复杂的立体结构的染色体。染色体只在细胞分裂期，人们才能在光学显微镜下观察到这些结构。它们存在于细胞核，呈棒状的可染色结构，故称为染色体。细胞分裂时，每条染色体都复制生成一条与母链完全一样的链，形成同源染色体对。作为遗传物质，染色体具有以下特征：分子结构相对稳定；能够自我复制，使亲代、子代之间保持连续性；能够指导蛋白质的合成；能够产生可遗传的变异。染色体在不同的细胞周期有不同的形态表现。在细胞大3 Prokaryotic chromosome structureNucleoid(类核,拟核)Bacterial chromosome 细菌染色体鞭毛鞭毛核糖体核糖体原核生物原核生物染色体结构染色体结构 Prokaryotic chromosome stru4DNA domains(结构域结构域)/loops(环环)v50-100 domains or loops per E.coli chromosome vThe ends of loops are constrained(束缚束缚)to protein-membrane core or scaffold(骨架骨架)DNA domains(结构域)/loops(环)50-105原核生物原核生物DNA的主要特征的主要特征一般只有一条染色体且大都带有单拷贝基因一般只有一条染色体且大都带有单拷贝基因极少数基因如极少数基因如rRNA基因，以多拷贝形式存在基因，以多拷贝形式存在 整个染色体整个染色体DNA几乎全部由功能基因与调控序几乎全部由功能基因与调控序列所组成列所组成几乎每个基因序列都与他编码的蛋白质序列几乎每个基因序列都与他编码的蛋白质序列呈线性对应状态呈线性对应状态原核生物DNA的主要特征一般只有一条染色体且大都带有单拷贝基6真核生物真核生物(Eukaryotic)chromosome structure真核生物细胞真核生物细胞DNA的总长度因不同的种而异的总长度因不同的种而异,比原核生比原核生物基因组相比大数千倍物基因组相比大数千倍,并由一定数目的分散的染色体并由一定数目的分散的染色体组成组成,人类染色体为人类染色体为46条条.每条染色体的每条染色体的DNA为单一线性分子为单一线性分子,长度可达几厘米长度可达几厘米.所有这些所有这些DNA分子必须被包装进大小相当于细菌细胞分子必须被包装进大小相当于细菌细胞的细胞核内。的细胞核内。真核生物(Eukaryotic)chromosome st7 基因表达调控不仅与DNA序列相关，而且与染色体的结构相关。染色体的组份：DNA、蛋白质、RNAnEach DNA and its associated proteins is called a chromosome1、蛋白质、蛋白质 组蛋白、非组蛋白真核细胞染色体的组成 基因表达调控不仅与DNA序列相关，而且与染色体的结构相关。8是指所有真核生物的核中，与DNA结合存在的碱性蛋白质的总称。真核生物体细胞染色质中的碱性蛋白质，含精氨酸和赖精氨酸和赖氨酸氨酸等碱性氨基酸特别多，二者加起来约为所有氨基酸残基的1/4。组蛋白与带负电荷的双螺旋DNA结合成DNA-组蛋白复合物。因氨基酸成分和分子量不同，主要分成5类。通常含有H1，H2A，H2B，H3，H4等5种成分。分子量约10 00020 000。1）组蛋白 Histone是指所有真核生物的核中，与DNA结合存在的碱性蛋白质的总称。9第二章染色体与ppt课件101.The major protein components of chromatin2.Four families of core histone:H2A,H2B,H3 and H4,and an additional histone H1 3.Small,10 kDa for core histones and 23 kDa for H1.4.Basic(rich in lysine赖氨酸赖氨酸 and arginine精氨酸精氨酸)and tightly binds to DNA Histones(组蛋白组蛋白)Histone octamer(组蛋白八聚体组蛋白八聚体)The major protein components o111.进化上的极端保守性。进化上的极端保守性。牛、猪、大鼠的H4氨基酸序列完全相同。牛的H4序列与豌豆序列相比只有两个氨基酸的差异（豌豆H4中的异亮氨基酸60缬氨酸60，精氨酸77赖氨酸77）。H3的保守性也很大，鲤鱼与小牛胸腺的H3只差一个氨基酸，小牛胸腺与豌豆H3只差4个氨基酸。2.无组织特异性。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。组蛋白的一般特性1.进化上的极端保守性。牛、猪、大鼠的H4氨基酸序列完全相同12 3.肽链上氨基酸分布的不对称性。肽链上氨基酸分布的不对称性。碱性氨基酸集中分布在N端的半条链上。例如，H4 N端的半条链上净电荷+16，C端只有+3，大部分疏水基团都分布在C端。4.组蛋白的修饰作用。组蛋白的修饰作用。组蛋白可受到甲基化、乙酰化、磷酸化、聚ADP核糖酰化，以及与泛醌(ubiquinone)相结合等几种类型的修饰。组蛋白的修饰与染色质结构的变化及基因活性控制的相关性等等，是今后的重要研究课题。5.富含赖氨酸的组蛋白富含赖氨酸的组蛋白H5。赖氨酸24%、丙氨酸 16%丝氨酸13%、精氨酸11%。鸟类、两栖类、鱼类红细胞分离的H5均有种的特异性。在停止增殖的细胞中，还含有一种叫H1的组蛋白，H1的结构与H5相类似。3.肽链上氨基酸分布的不对称性。碱性氨基酸集中分布在N端的13组蛋白的作用一般认为组蛋白作为结构支持体的作用比其基因调节作用更为重要。组蛋白的作用一般认为组蛋白作为结构支持体的作用比其基因调节作14 非组蛋白是指细胞核中组蛋白以外的酸性蛋白质。组蛋白是碱性的，而非组蛋白则大多是酸性的。2）非组蛋白 hertone;nonhistone 非组蛋白是指细胞核中组蛋白以外的酸性蛋白质。组15现已知道，生物体内负超螺旋稳定在5%左右，低了不行，高了也不行。DNA polymerase reacts on the 3 end only3.真核生物的DNA聚合酶例大肠杆菌中的DNA旋转酶在卵细胞形成过程中这些基因可进行几千次不同比例的复制，产生2106个拷贝，使rDNA占卵细胞DNA的75%，从而使该细胞能积累1012个核糖体是指所有真核生物的核中，与DNA结合存在的碱性蛋白质的总称。coli中的rep蛋白就是解螺旋酶，还有解螺旋酶I、II、III。The major protein components of chromatin因氨基酸成分和分子量不同，主要分成5类。（温度敏感型ts，突变抑制体系Su）DnaG（引物合成酶）带发夹环的线性病毒DNA的复制New DNA elongation from 5 to 3 directionDNA复制起始控制机理知之甚少不需要RNA引物的复制 腺病毒 蛋白质分子介入，进行末端的引发。3 DNA的复制 (DNA Replication)遗传信息的复制A unit of the genome in which DNA负超螺旋越高，DNA拓扑异构酶I作用越快。DNA的复制过程（大肠杆菌为例）非组蛋白不仅包括以DNA作为底物的酶，也包括作用于组蛋白的一些酶酶，如组蛋白甲基化酶。此外还包括DNA结合蛋白、组蛋白结合蛋白和调节蛋白结合蛋白、组蛋白结合蛋白和调节蛋白。由于非组蛋白常常与DNA或组蛋白结合，所以在染色质或染色体中也有非组蛋白的存在,如染色体骨架蛋白。染色体的高级结构，由于受细胞的生理状态变化的影响而发生变化。因此认为，非组蛋白的功能是：(1)酶酶(RNA合成酶、蛋白质磷酸化酶等)；(2)遗传信息的保持和表达调节遗传信息的保持和表达调节(HMG14，HMG17及许多酸性染色体蛋白质)；(3)染色体的结构支持体染色体的结构支持体(matrix protein，基质蛋白质等；scaffold protein，支架蛋白质)等。现已知道，生物体内负超螺旋稳定在5%左右，低了不行，高了也不16 染色体上除了存在大约与DNA等量的组蛋白以外，还存在大量的非组蛋白。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。非组蛋白的组织专一性和种属专一性。非组蛋白的一般特性 染色体上除了存在大约与DNA等量的组蛋白以外，17a.HMG蛋白（high mobility group protein）。这是一类能用低盐（0.35mol/L NaCl）溶液抽提、能溶于2%的三氯乙酸、相对分子质量较低的非组蛋白，相对分子质量都在3.0104以下。b.DNA结合蛋白。用2mol/L NaCl除去全部组蛋白和70%非组蛋白后，还有一部分蛋白必须用2mol/L NaCl和5mol/L尿素才能与DNA解离。这些蛋白分子量较低，约占非组蛋白的20%，染色质的8%。几类常见的非组蛋白能与DNA结合，与H1作用a.HMG蛋白（high mobility group pr18真核生物基因组最大特点：具有大量重复序列，功能DNA序列被不编码的序列隔开。C值（C value）：单倍体DNA的总量C值反常现象 转座？整合？2 2、真核生物基因组、真核生物基因组DNADNA真核生物基因组最大特点：具有大量重复序列，C值（C valu19慢复性组分 非重复序列非重复序列 单拷贝序列 基因中间复性组分 中度重复序列中度重复序列 调控作用快复性组分 高度重复序列高度重复序列 一般不转录真核生物基因组DNA序列的分类不同序列中非重复序列比例差异大慢复性组分中间复性组分快复性组分真核生物基因组DNA序列的分20 单拷贝序列在单倍体基因组中只出现一次或数次，因而复性速度很慢。单拷贝序列在基因组中占50-80，如人基因组中，大约有60-65的序列属于这一类。单拷贝序列中储存了巨大的遗传信息，编码各种不同功能的蛋白质。目前尚不清楚单拷贝基因的确切数字，但是是有其在单拷贝序列中只有一小部份用来编码各种蛋白质，其他部份的功能尚不清楚1)单拷贝序列 单拷贝序列在单倍体基因组中只出现一次或数次，因21第二章染色体与ppt课件22第二章染色体与ppt课件232）中度重复序列 2）中度重复序列 24Alu重复序列 Alu重复序列 25基因簇（gene cluster）非洲爪蟾的18S、5.8S及28SrRNA基因是连在一起的，中间隔着不转录的间隔区，这些单位在DNA链上串联重复约5000次。在卵细胞形成过程中这些基因可进行几千次不同比例的复制，产生2106个拷贝，使rDNA占卵细胞DNA的75%，从而使该细胞能积累1012个核糖体基因簇（gene cluster）263）高度重复序列 卫星DNA（satellite DNA）隐蔽卫星DNA 异染色质部分，与其稳定相关！？3）高度重复序列 卫星DNA（satellite DNA）273、染色质和核小体3、染色质和核小体28大多数基因是随机分布的，两条单链作为模板的概率基本相等；复性（Renaturation)绕DNA双螺旋表面上出现的螺旋槽（沟），宽的沟称为大沟，窄沟称为小沟。单拷贝序列中储存了巨大的遗传信息，编码各种不同功能的蛋白质。目前尚不清楚单拷贝基因的确切数字，但是是有其在单拷贝序列中只有一小部份用来编码各种蛋白质，其他部份的功能尚不清楚形成瞬间的单泡状结构的过程。在DNA聚合酶催化下切除RNA引物；冈崎片断与半不连续复制哺乳动物的细胞周期通常含有H1，H2A，H2B，H3，H4等5种成分。遗传物质的基本属性：基因的自我复制phosphoester bondDNA的分子构型(B,Z,A)比较拓扑异构酶I作用的碱基序列特异性不高，但切点一定在C的下游方向4个碱基(包括本身)的位置。能够自我复制，使亲代、子代之间保持连续性；复制子(replicon)The ends of loops are constrained(束缚)to protein-membrane core or scaffold(骨架)由于非组蛋白常常与DNA或组蛋白结合，所以在染色质或染色体中也有非组蛋白的存在,如染色体骨架蛋白。当DNA钠盐在92相对湿度下,DNA呈B型双螺旋。染色体的高级结构，由于受细胞的生理状态变化的影响而发生变化。5 OH大多数基因是随机分布的，两条单链作为模板的概率基本相等；29 真核生物基因组的特点1、大2、重复序列3、非编码序列4、转录产物是单顺反子5、断裂基因，内含子6、顺式作用元件7、DNA多态性8、端粒 真核生物基因组的特点1、大30原核生物基因组原核生物基因组 细菌基因组的结构特点 1.拟核（类核）结构；2.存在转录单元（多顺反子）结构；3.除RNA基因外，基本是单拷贝的；利于核糖体的快速组装，短时间内合成 大量核糖体。4.非编码序列相对较少；5.存在不同的功能识别区 复制起始区、复制终止区等 6.有重叠基因原核生物基因组 细菌基因组的结构特点311.基因组基因组DNA在在4000kb，估计有，估计有3500个基因，个基因，已确定的基因有已确定的基因有900个，已确定有个，已确定有260个基因个基因具有操纵子结构（具有操纵子结构（75个操纵子中），每个基因个操纵子中），每个基因平均长度平均长度1000bp；2.已确定的基因中，多数是与代谢有关的酶、已确定的基因中，多数是与代谢有关的酶、核糖体蛋白；核糖体蛋白；3.大多数基因是随机分布的，两条单链作为大多数基因是随机分布的，两条单链作为模板的概率基本相等；模板的概率基本相等；4.多数基因都是单拷贝。多数基因都是单拷贝。大肠杆菌基因组结构：大肠杆菌基因组结构：1.基因组DNA在4000kb，估计有3500个基因，已确32DNA的组成的组成2.2 DNA的结构的结构2.2 DNA的结构33第二章染色体与ppt课件34glycosidic bondphosphoester bondNucleosideglycosidic bondphosphoester bo35核苷酸序列对DNA高级结构的形成有很大影响。例如 BDNA中多聚（GC）区易出现左手螺旋DNA（ZDNA）；反向重复的DNA片段易出现发卡式结构等。的一级结构的一级结构:就是指就是指4种核苷酸的连接及其排列顺序，表示了该种核苷酸的连接及其排列顺序，表示了该DNA分子的化学构成分子的化学构成。核苷酸序列对DNA高级结构的形成有很大影响。的一级结构:就是36二级结构其基本特点是 1、DNA分子的两条主干链反向平行。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。二级结构其基本特点是 37第二章染色体与ppt课件38绕DNA双螺旋表面上出现的螺旋槽（沟），宽的沟称为大沟，窄沟称为小沟。大沟，小沟都、是由于碱基对堆积和糖-磷酸骨架扭转造成的。绕DNA双螺旋表面上出现的螺旋槽（沟），宽的沟称为大沟，窄沟39superhelix2，滞后链上不连续性片段的连接5 OH 3DNA的分子构型(B,Z,A)比较:它以双链DNA为骨架，与组蛋白(hilston)、非组蛋白(non-histon)以及少量的各种RNA等共同组成丝状结构。DNA domains(结构域)/loops(环)大肠杆菌基因组结构：真核生物有多个复制起始位点，而原核只有一个起始位点。度特异性的影响DNA复制原点处氢键迅速断裂与再生，核苷酸序列对DNA高级结构的形成有很大影响。1）组蛋白 HistoneHMG蛋白（high mobility group protein）。5、断裂基因，内含子真核生物基因组最大特点：D环复制 线粒体、叶绿体环状DNA复制方式之一；Each DNA and its associated proteins is called a chromosomeD环复制 线粒体、叶绿体环状DNA复制方式之一；2、侧链碱基互补配对规律 这就是嘌呤与嘧啶配对，而且腺嘌呤（A）只能与胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤（G）只能与胞嘧啶（C）配对。如一条链上某一碱基是C，另一条链上与它配对的碱基必定是G。碱基之间的这种一一对应的关系叫碱基互补配对原则碱基互补配对原则。组成DNA分子的碱基虽然只有4种，它们的配对方式也只有A与T，C与G两种，但是，由于碱基可以碱基可以任何顺序排列，构成了任何顺序排列，构成了DNA分子的多样性分子的多样性。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。superhelix2、侧链碱基互补配对规律403、双螺旋立体结构3、双螺旋立体结构41 当DNA钠盐在92相对湿度下,DNA呈B型双螺旋。构型当DNA钠盐在75相对湿度下，则呈现A型双螺旋。当DNA钠盐的相对湿度更低或在一些人工合成的DNA链中,还会出现一些其他构型 DNA的分子构型的分子构型(B,Z,A)比较比较 当DNA钠盐在92相对湿度下,DNA呈B型双螺旋。42ABZABZ43ABZABZ44第二章染色体与ppt课件45 A-DNA是是DNA的脱水构型，右手螺旋，每螺旋含有的脱水构型，右手螺旋，每螺旋含有11个核苷酸对。比较短和密，其平均直径是个核苷酸对。比较短和密，其平均直径是2.3nm。大沟。大沟深而窄，小沟宽而浅。在活体内深而窄，小沟宽而浅。在活体内DNA并不以并不以A构型存在，构型存在，但细胞内但细胞内DNA-RNA或或RNA-RNA双螺旋结构，却与双螺旋结构，却与A-DNA非常相似。非常相似。B-DNA是是DNA在生理状态下的构型。大多数在生理状态下的构型。大多数DNA以以B-DNA形式存在。但当外界环境条件发生变化时，形式存在。但当外界环境条件发生变化时，DNA的构型也会发生变化。的构型也会发生变化。Z-DNA是左手螺旋。当某些是左手螺旋。当某些DNA序列富含序列富含G-C，并且在，并且在嘌呤和嘧啶交替出现时，可形成嘌呤和嘧啶交替出现时，可形成Z-DNA。其每螺旋含有。其每螺旋含有12个核苷酸对，平均直径是个核苷酸对，平均直径是1.8nm，并只有一个深沟。，并只有一个深沟。DNA的分子构型的分子构型(B,Z,A)比较比较:A-DNA是DNA的脱水构型，右手螺旋，每螺旋含有11个核46核酸分子的二级结构核酸分子的二级结构(分分别出出现在在DNADNA复制，复制，转录，重，重组等等阶段段)核酸分子的二级结构(分别出现在DNA复制，转录，重组等阶段47 DNA的变性和复性 变性（Denaturation)DNA双链的氢键断裂，最后完全变成单链的过程称为变性。增色效应(Hyperchromatic effect)在变性过程中，260nm紫外线吸收值先缓慢上升，当达到某一温度时骤然上升，称为增色效应。DNA的变性和复性48融解温度（Melting temperature Tm)变性过程紫外线吸收值增加的中点称为融解温度。，pH值，尿素，甲酰胺等影响因素：影响因素：G+C含量离子强度融解温度（Melting temperature 49第二章染色体与ppt课件50复性（Renaturation)热变性的DNA缓慢冷却，单链恢复成双链。减色效应（Hypochromatic effect)随着DNA的复性，260nm紫外线吸收值降低的现象。复性（Renaturation)51DNA的三级结构DNA的三级结构52 在细胞内在细胞内(in vivo)l DNA分子需以高度致密的超螺旋状态压缩在细胞核内分子需以高度致密的超螺旋状态压缩在细胞核内 l 富含富含 AT 及及 IR 区域易于解链区域易于解链,形成十字型的负超螺旋形成十字型的负超螺旋,以消除解链产生的应力以消除解链产生的应力,维持维持 DNA分子的稳定状态分子的稳定状态l B-DNA Z-DNA B-DNA 调控基因的表达调控基因的表达DNA复制复制RNA转录转录需需 D.S.S.S.状态状态 在细胞内(in vivo)53 4、DNA 的高级结构DNA双螺旋进一步盘曲形成更加复杂的结构。4、DNA 的高级结构DNA双螺旋进一步盘曲形成更加复杂的54超超 螺螺 旋旋 形形 成成 示示 意意末端固定的线型双螺旋末端固定的线型双螺旋额外的张力不能释放额外的张力不能释放双螺旋以扭曲方式缓双螺旋以扭曲方式缓解应力，形成超螺旋解应力，形成超螺旋超 螺 旋 形 成 示 意末端固定的线型双螺旋额外的张力不能55 超螺旋结构超螺旋结构DNA leads to left-handed superhelix B-DNAoverwinding overwinding(右旋右旋)positive supercoiled positive supercoiled 超螺旋结构DNA leads toB-DNA56Leads to right-handed superhelixB-DNAunwindingunwinding(左旋左旋)所有生物的所有生物的DNA几乎几乎 有有5%为为 Negative Superhelix Negative Supercoiled DNA拓扑异构酶I对单链DNA的亲和力要比双链高得多，这正是它识别负超螺旋DNA的分子基础，因为负超螺旋DNA常常会有一定程度的单链区。负超螺旋越高，DNA拓扑异构酶I作用越快。现已知道，生物体内负超螺旋稳定在5%左右，低了不行，高了也不行。Leads to B-DNAunwinding(左旋)所57编码Ecoli拓扑异构酶I的基因topA发生突变，则会引起旋转酶基因的代偿性突变；否则，负超螺旋增高，细胞生活能力降低。拓扑异构酶毒素类药物的抗肿瘤活性与其对酶-DNA可分裂复合物的稳定性相关。这类药物通过稳定酶-DNA可分裂复合物，有效地将酶转换成纤维毒素。编码Ecoli拓扑异构酶I的基因topA发生突变，则会引起58拓扑异构酶I作用的碱基序列特异性不高，但切点一定在C的下游方向4个碱基(包括本身)的位置。在将DNA单链切断后，拓扑异构酶I连接于切口的5端，并贮藏了水解磷酸二脂键的能量用以连接切口，因而拓扑异构酶I的作用不需能量供应。型拓扑异构酶巧妙地执行了打开DNA双螺旋的过程拓扑异构酶I作用的碱基序列特异性不高，但切点一定在C的下游方592.3 DNA的复制的复制 (DNA Replication)遗传信息的复遗传信息的复制制2.3 DNA的复制 (DNA 60遗传物质的分子机制遗传物质的分子机制分子生物学的核心分子生物学的核心Watson&Crick:Watson&Crick:一种遗传物质，必须能行使两种 功能，即自我复制和对细胞的高 度特异性的影响遗传物质的基本属性遗传物质的基本属性：基因的自我复制基因的自我复制 控制性状的表达控制性状的表达遗传物质的分子机制分子生物学的核心Watson&Cric61DNA复制复制 亲代双链亲代双链DNADNA分子在分子在DNADNA聚合酶的作用下，分别以聚合酶的作用下，分别以 每单链每单链 DNADNA分子为模板，聚合与自身碱基可以互补分子为模板，聚合与自身碱基可以互补 配对的游离的配对的游离的dNTP,dNTP,合成出两条与亲代合成出两条与亲代DNADNA分子完分子完 全相同的子代全相同的子代DNADNA分子的过程。分子的过程。Replicon;Replicon;Replisome;A unit of the genome in which DNA A unit of the genome in which DNA contain a region from origin to terminator contain a region from origin to terminator The multi protein(30)structure that assembles The multi protein(30)structure that assembles at replicating fork to undertake synthesis of DNAat replicating fork to undertake synthesis of DNA DNA复制 Replicon;Replisome;62DNA replication at phase S of cell cycle DNA replication at phase S of cell cycle E.coli 37 0.5 h105 bp/min S 6-8hs M 1hG23-4hsmammalian cell 22-25hrs500-5000 bp/min G112hsDNA replication at phase S of 63G1G2SM 哺乳哺乳动物的物的细胞周期胞周期DNA合成合成(synthesis)期期人人为分分成：成：起始、延起始、延长、终止三个止三个阶段段G1G2SM 哺乳动物的细胞周期DNA合成(synth64 复制机理的复杂性复制机理的复杂性 D.S.DNAS.S.DNA 能量的供求能量的供求构型的变化构型的变化 超螺旋超螺旋线状，开环状线状，开环状多种酶类的互作多种酶类的互作ReplisomeDNA复制起始控制机理知之甚少复制起始控制机理知之甚少复制的准确性复制的准确性（修复，校正）（修复，校正）研究试材的特殊性研究试材的特殊性（温度敏感型（温度敏感型ts，突变抑制体系，突变抑制体系Su）DNA复制速度复制速度(E.coli 105 bp/min，高速解旋，高速解旋 112 km/h?)缺乏统一的模式缺乏统一的模式(D.S.DNA,S.S.DNA,Linear DNA.)复制机理的复杂性 D.S.DNAS.S.DNA 65的半保留复制的半保留复制 （Semi-Conservation Replication）的半保留复制66 DNA的半保留复制的半保留复制 两条链分别做模板各自合成一条新的两条链分别做模板各自合成一条新的DNA链，子代链，子代DNA分子中一条链来自亲代分子中一条链来自亲代DNA，另一条链是新合成的，另一条链是新合成的，这种复制方式称为半保留复制。这种复制方式称为半保留复制。半保留复制的实验依据半保留复制的实验依据 58年年Meselson和和Stahl利用氮标记技术试验证实。含有利用氮标记技术试验证实。含有15N标记的培养基中培养大肠杆菌得到标记的培养基中培养大肠杆菌得到15N DNA。将。将15N DNA转移到含有转移到含有14N标记的培养基中培养不同代数时，标记的培养基中培养不同代数时，CsCl密度梯度离心密度梯度离心,观察观察DNA所处的位置。所处的位置。15N DNA的密的密度比度比14N DNA的大，在密度梯度离心时，两种密度不同的大，在密度梯度离心时，两种密度不同的的DNA分布在不同的区带。分布在不同的区带。DNA的半保留复制67(CsCl gradient centrifuge)(CsCl gradient centrifuge)N15 N14 DNADNASemi-ConservationReplicationM.Meselson and F.W.Stahl,Sciences 44:675,1958.(CsCl gradient centrifuge)681.复制子(replicon)复制时，解链酶等先将DNA的一段双链解开，形成复制点，这个复制点的形状象一个叉子、方向与速度、方向与速度（replication origin&direction&speed）从复制原点到终点，组成一个复制单位从复制原点到终点，组成一个复制单位1.复制叉(replication fork)1.复制子(replicon)复制时，解链酶等先69复制叉复制叉复制叉复制叉复制叉复制叉702.复制起始点复制起始点（E.coli-oriC.coli-oriC）GATCTNTTTATTT GATCTNTTNTATT GATCCTTATTAG 1 13 17 29 32 44 TGTGGATTA-TTATTACACA-TTTGGATAA-TTATCCACA58 66 166 174 201 209 237 245串串联重复序列重复序列反向重复序列反向重复序列5 3 5 3 富含AT的区段的区段2.复制起始点（E.coli-oriC）GATCTNTTT71ARS（autonomously replicating sequence）。在真核真核生物生物中发现的一类能启动DNA复制的序列，含有一个AT富集区。最早在酵母中分离得到，随后在其它真核生物中也发现了ARS序列的存在。起始点识别复合物（origin recognition complex,ORC）,识别并结合ARS。ARS（autonomously replicating s723.复制复制终止点止点4.复制方向复制方向单向单向相向相向双向双向5.复制速率复制速率6.冈崎片断与半不崎片断与半不连续复制复制3.复制终止点4.复制方向单向相向双向5.复制速率6.冈崎片73 子链子链DNA延伸方向延伸方向 DNA polymerase reacts on the 3 end onlyDNA polymerase reacts on the 3 end only5 OHT C AT C A C 5 OH 3New DNA elongation from 5 to 3 direction New DNA elongation from 5 to 3 direction ppp OH C+ppi 进化中保留进化中保留的深刻的、的深刻的、选择与适应选择与适应的、化学及的、化学及功能的根源功能的根源 子链DNA延伸方向 DNA polymerase rea74DNA双螺旋走向是53,35方向，DNA聚合酶聚合酶只能催化只能催化DNA从从53的方向合成的方向合成。半不连续复制模型前导链前导链(leading strand)在以35方向的母链为模板时，复制合成出一条53方向的随从链随从链(lagging strand)以53为模板时，先合成多条53方向的短链，DNA双螺旋走向是53,35方向，DNA聚合酶75“呼吸呼吸现象现象”DNA复制原点处氢键迅速断裂与再生，复制原点处氢键迅速断裂与再生，导致两条导致两条DNA链不断解链与聚合，链不断解链与聚合，形成瞬间的单泡状结构的过程。形成瞬间的单泡状结构的过程。在富含在富含AT的区域内尤为明显的区域内尤为明显小结小结 “呼吸现象”DNA复制原点处氢键迅速断裂与76复制方向和速度复制方向和速度 单起点、双向等速单起点、双向等速多起点、双向等速多起点、双向等速复制方向和速度 单起点、双向等速多起点、双向等速77复制的几种主要方式复制的几种主要方式781.线状线状DNA的复制的复制 线状线状DNA复制的一个重要问题是末端复制的一个重要问题是末端RNA引物消除后如何补齐？引物消除后如何补齐？形成聚合体形成聚合体 T7 DNA 末端形成发夹结构末端形成发夹结构 痘病毒痘病毒 蛋白介入末端启动复制蛋白介入末端启动复制 腺病毒腺病毒DNA 线状DNA的复制 线状DNA复制的一个重要问79线状线状DNA的不完全复制的不完全复制线状DNA的不完全复制80形成聚合体形成聚合体形成聚合体81带发夹环的线性病毒带发夹环的线性病毒DNA的复制的复制带发夹环的线性病毒DNA的复制82 不需要RNA引物的复制 腺病毒 蛋白质分子介入，进行末端的引发。腺病毒中发现80Kd的末端结合蛋白（Tp），由丝氨酸残基（Ser）的OH基团通过磷酸二酯键与胞苷酸（C）的5共价连接。Tp内的胞苷酸与线状DNA的3端配对，成为病毒DNA复制起始的引物，在酶作用下合成新链。其它枯草杆菌噬菌体29中也发现了27Kd的末端蛋白。不需要RNA引物的复制 腺病毒 83第二章染色体与ppt课件84蛋白介入，不用蛋白介入，不用RNA引物的线状引物的线状DNA复制复制Tp蛋白介入，不用RNA引物的线状DNA复制Tp852.环状环状DNA双链的复制双链的复制 型复制型复制2.环状DNA双链的复制 型复制86滚环复制滚环复制滚环复制87许多病毒、细菌因子的复制方式许多病毒、细菌因子的复制方式许多病毒、细菌因子的复制方式88D环复制环复制 线粒体、叶绿体环状线粒体、叶绿体环状DNA复制方式之一；复制方式之一；特点特点1.以轻链为模板先复制其互补链；以轻链为模板先复制其互补链；2.以轻链为模板的子链继续合成，以以轻链为模板的子链继续合成，以 重链为模板开始合成；重链为模板开始合成；3.复制完成。复制完成。两条链的合成不是同步的两条链的合成不是同步的D环复制 线粒体、叶绿体环状DNA复制方式之一；89D环复制D环复制902.4 原核生物和真核生物DNA复制的特点2.4 原核生物和真核生物DNA复制的特点91DNA的复制过程（大肠杆菌为例）1.1.双链的解开双链的解开1)DNA 解螺旋酶/解链酶（DNA helicase)通过水解ATP获得能量来解开双链DNA。E.coli中的rep蛋白就是解螺旋酶，还有解螺旋酶I、II、III。rep蛋白沿蛋白沿335 5移移动，而解螺旋，而解螺旋酶I、II、III沿沿55 3 3移移动。DNA的复制过程（大肠杆菌为例）1.双链的解开1)DNA 解92第二章染色体与ppt课件932)2)单链结合蛋白单链结合蛋白(SSBPsinglestrand binding(SSBPsinglestrand binding protein)protein)稳定已被解开的稳定已被解开的DNA单链，阻止复性和保护单链，阻止复性和保护单链不被核酸酶降解。单链不被核酸酶降解。2)单链结合蛋白(SSBPsinglestrand bind94 拓扑异构酶使DNA一条链发生断裂和再连接，作用是松解负超螺旋。主要集中在活性转录区，同转录有关。例大肠杆菌中的蛋白 拓扑异构酶该酶能暂时性地切断和重新连接双链DNA，作用是将负超螺旋引入DNA分子。同复制有关。例大肠杆菌中的DNA旋转酶3)DNA 拓扑异构酶(DNA Topisomerase)：3)DNA 拓扑异构酶(DNA Topisomerase)：952.DNA的引发RNARNA引物的合成引物的合成DNADNA链的延伸链的延伸切除切除RNARNA引物，填补缺口，连接相邻的引物，填补缺口，连接相邻的DNADNA片段片段2.DNA的引发RNA引物的合成DNA链的延伸切除RNA引物96双链解开、复制起始双链解开、复制起始97大约20个DnaA蛋白在ATP的作用下与oriC处的4个9bp保守序列相结合大约20个DnaA蛋白在ATP的作用下与oriC处的4个9b98在HU蛋白和ATP的共同作用下,Dna复制起始复合物使3个13bp直接重复序列变性,形成开链在HU蛋白和ATP的共同作用下,Dna复制起始复合物使3个199解链酶六体分别与单链DNA相结合(需DnaC帮助),进一步解开DNA双链解链酶六体分别与单链DNA相结合(需DnaC帮助),进一步解100第二章染色体与ppt课件1012、RNA引物的合成引物的合成DnaB蛋白活化引物合成酶，引发RNA引物的合成。引物长度约为几个至10个核苷酸，2、RNA引物的合成DnaB蛋白活化引物合成酶，引发RNA引102与大肠杆菌起点与复制起始有关的酶和辅助因子与大肠杆菌起点与复制起始有关的酶和辅助因子103参与复制的蛋白质参与复制的蛋白质和酶和酶相对分子质量相对分子质量亚基数目亚基数目功能功能DnaA520001识别起始点序列DnaB3000006解开DNA双链DnaC290001辅助DnaB结合于起始点HU190002类组蛋白，DNA结合蛋白，促进起始DnaG（引物合成酶）600001合成RNA引物SSB（单链DNA 结合蛋白）756004结合单链DNARNA聚合酶4540005促进DnaA活性拓扑异构酶ii4000004释放DNA解链过程中产生的扭曲张力Dam甲基化酶320001使起点GATC序列的腺嘌呤甲基化参与复制的蛋白质和酶相对分子质量亚基数目功能DnaA5200104性质 聚合酶聚合酶 聚合酶3 5 外切活性+5 3 外切活性+-5 3 聚合活性+中+很低+很高新生链合成-+主要是主要是对DNA损伤的的修复；以及在修复；以及在DNA复复制制时切除切除RNA引物并引物并填填补其留下的空隙。其留下的空隙。修复紫外修复紫外光引起的光引起的DNA损伤DNA 复制的主要复制的主要聚合聚合酶，还具有具有3 3-5-5 外切外切酶的的校校对功能，提高功能，提高DNA复制的保真复制的保真性性原核生物中的DNA聚合酶(大肠杆菌）性质 聚合酶聚合酶聚合酶3 5 外切活性+5105DNA的半不连续复制（semidiscontinuous replication)DNA复制时其中一条子链的合成是连续的，而另一条子链的合成是不连续的，故称半不连续复制。在DNA复制时，合成方向与复制叉移动的方向一致并连续合成的链为前导链；合成方向与复制叉移动的方向相反，形成许多不连续的片段，最后再连成一条完整的DNA链为滞后链。3、DNA链的延伸的延伸DNA的半不连续复制（semidiscontinuous r106第二章染色体与ppt课件107 在DNA复制过程中，前导链能连续合成，而滞后链只能是断续的合成53 的多个短片段，这些不连续的小片段称为冈崎片段。在DNA复制过程中，前导链能连续合成，而滞后链只能是断续108第二章染色体与ppt课件109第二章染色体与ppt课件110第二章染色体与ppt课件1114、切除、切除RNA引物，填引物，填补缺口，缺口，连接相接相邻的的DNA片段片段（复制（复制终止）止）在DNADNA聚合酶聚合酶催化下切除RNA引物；留下的空隙由DNADNA聚合酶聚合酶催化合成一段DNA填补上；在DNADNA连接酶连接酶作用下，连接相邻的DNA链4、切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段在DNA聚112DNA连接酶连接DNA双链中的单链缺口连接DNA链3-OH末端和相邻DNA链5-P末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。DNA连接酶连接DNA双链中的单链缺口连接DNA链3-OH113HO5335DNA连接酶ATPADP5353T4 DNA连接酶大肠杆菌DNA连接酶HO5335DNA连接酶ATPADP5353114复制终止复制终止复制终止115原核生物的复制原核生物的复制终止止 1，多多为环状状DNADNA分子，双向复制的复制片分子，双向复制的复制片段在复制的段在复制的终止点止点（ter）处汇合。合。原核生物的复制终止 1，多为环状DNA分子，双向复制的复116555RNARNA酶OHP5DNADNA聚合聚合酶dNTP55PATPADP+Pi55DNADNA连接接酶2，滞后滞后链上不上不连续性片段的性片段的连接接555RNA酶OHP5DNA聚合酶dNTP55P117真核生物DNA复制真核生物DNA复制118（E.coli-oriC.coli-oriC）GATCTNTTTATTT GATCTNTTNTATT GATCCTTATTAG 1 13 17 29 32 44 TGTGGATTA-TTATTACACA-TTTGGATAA-TTATCCACA58 66 166 174 201 209 237 245串串联重复序列重复序列反向重复序列反向重复序列5 3 5 3 富含AT的区段1.真核生物有多个复制起始位点，而原核只有一个起始位点。（E.coli-oriC）GATCTNTTTATTT 1192.真核生物复制一旦启动，在完成本次复制前，不能在再启动新的复制；而原核复制起始位点可以连续开始新的复制，特别是快速繁殖的细胞。2.真核生物复制一旦启动，在完成本次复制前，不能在再启动新120真核生物的真核生物的DNADNA聚合聚合酶DNA -pol 在复制延长中起催化作用在复制延长中起催化作用DNA损伤修复在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用在线粒体粒体 DNA复制中起催化作用DNA -pol DNA -pol DNA -pol DNA -pol 引物合成真核生物的DNA聚合酶DNA -pol 在复制延121真核生物的聚合酶没有53外切酶活性，需要一种叫FEN1的蛋白切除5端引物;原核的DNA聚合酶I具有53外切酶活性。真核生物的聚合酶没有53外切酶活性，需要一种叫FEN1的122复 制 起 始复 制 起 始123引物合成引物合成Dna ADna B、Dna CDNA拓扑异构酶拓扑异构酶引物酶引物酶OHSSB3 5 3 5 引物合成Dna ADna B、Dna CDNA拓扑异构酶引124复制延伸的复制延伸的过程程复制延伸的过程125 DNADNA聚合聚合酶催化游离的脱氧核苷酸催化游离的脱氧核苷酸结合合到新到新链3 3末端，使其不断延末端，使其不断延长。5 35DNA-polDNA-pol DNA-pol DNA-poldATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTP DNA聚合酶催化游离的脱氧核苷酸结合到新链3末端，126复制终止复制终止复制终止127真核生物的复制真核生物的复制终止止1 1，染色体，染色体DNADNA呈呈线状，复制在末端停止状，复制在末端停止5555水解、聚合、水解、聚合、连接接55552 2，连接不接不连续片段片段真核生物的复制终止1，染色体DNA呈线状，复制在末端停止5128端粒酶参与解决染色体末端复制问题n切除引物的两种机制端粒酶参与解决染色体末端复制问题切除引物的两种机制129端粒端粒酶（telomerase）1、一种一种RNA-蛋白质的复合物。蛋白质的复合物。2 2、一种特殊的逆一种特殊的逆转录酶,能依能依赖自身的自身的RNARNA为模板逆模板逆转录合成端粒合成端粒DNADNA。复制复制终止止时，染色体，染色体线性性DNADNA末端确有可能末端确有可能缩短，短，但通但通过端粒端粒酶的作用，可以的作用，可以补偿这种由除去引物引起的种由除去引物引起的末端末端缩短。短。端粒酶（telomerase）1、一种RNA-130