第14章DNA的复制与修复(药学)课件

目目 录录DNA的生物合成的生物合成(复制复制)DNA Biosynthesis，Replication 第第 十十 章章DNA的生物合成第 十 章目目 录录中心法则中心法则 Central DogmaCentral DogmaRNARNADNADNA蛋白质蛋白质转录翻译复制逆转录少数病毒复制翻译翻译 蛋白质蛋白质（病毒）（病毒）中心法则 Central DogmaRNADNA蛋白质转录目目 录录复制复制(replication)是指遗传物质的传代，以母链是指遗传物质的传代，以母链是指遗传物质的传代，以母链是指遗传物质的传代，以母链DNADNA为模板为模板为模板为模板合成子链合成子链合成子链合成子链DNADNA的过程。的过程。的过程。的过程。复制复制复制复制亲代亲代亲代亲代DNADNA子代子代子代子代DNADNA复制(replication)复制亲代DNA子代DNA目目 录录复制的基本规律复制的基本规律Basic Rules of DNA Replication 第一节第一节复制的基本规律第一节目目 录录l l复制的方式复制的方式复制的方式复制的方式半保留复制半保留复制半保留复制半保留复制(semi-conservative replication)(semi-conservative replication)l l复制的高保真性复制的高保真性复制的高保真性复制的高保真性(high fidelity)(high fidelity)l l半不连续复制半不连续复制半不连续复制半不连续复制(semi-discontinuous replication)(semi-discontinuous replication)复制的方式目目 录录一、半保留复制的实验依据和意义一、半保留复制的实验依据和意义 DNADNA生生生生物物物物合合合合成成成成时时时时，母母母母链链链链DNADNA解解解解开开开开为为为为两两两两股股股股单单单单链链链链，各各各各自自自自作作作作为为为为模模模模板板板板(template)(template)按按按按碱碱碱碱基基基基配配配配对对对对规规规规律律律律，合合合合成成成成与与与与模模模模板板板板互互互互补补补补的的的的子子子子链链链链。子子子子代代代代细细细细胞胞胞胞的的的的DNADNA，一一一一股股股股单单单单链链链链从从从从亲亲亲亲代代代代完完完完整整整整地地地地接接接接受受受受过过过过来来来来，另另另另一一一一股股股股单单单单链链链链则则则则完完完完全全全全从从从从新新新新合合合合成成成成。两两两两个个个个子子子子细细细细胞胞胞胞的的的的DNADNA都都都都和和和和亲亲亲亲代代代代DNADNA碱碱碱碱基基基基序序序序列列列列一一一一致致致致。这这这这种种种种复复复复制制制制方式称为方式称为方式称为方式称为半保留复制半保留复制半保留复制半保留复制。n半保留复制的概念半保留复制的概念一、半保留复制的实验依据和意义 DNA生物合成时，母链DNAA AGGGGT TA AC CT TGGC CC CA AC CT TGGGGT TC CC CA AT TGGA AC CGGGGT TGGA AC CC CC CC CA AC CT TGGGGGGGGT TGGA AC CC CA AGGGGT TA AC CT TGGT TC CC CA AT TGGA AC CT TC CC CA AT TGGA AC CA AGGGGT TA AC CT TGGA AGGGGT TA AC CT TGGC CC CA AC CT TGGGGT TC CC CA AT TGGA AC CGGGGT TGGA AC CC CA AGGGGT TA AC CT TGGC CC CA AC CT TGGGGT TC CC CA AT TGGA AC CGGGGT TGGA AC CC C+母链母链母链母链DNADNA 复制过程中形成复制过程中形成复制过程中形成复制过程中形成的复制叉的复制叉的复制叉的复制叉子代子代子代子代DNADNA 目目目目 录录录录ATCGATTAATAT+母链DNA 复制过程中形成的复制叉目目 录录 1958 1958 Matthew Meselson Matthew Meselson和和Franklin StahlFranklin Stahl美国科学家美国科学家美国科学家美国科学家马修马修马修马修.梅塞尔梅塞尔梅塞尔梅塞尔(Matthew(Matthew(Matthew(Matthew Keelson)Keelson)Keelson)Keelson)福兰克林福兰克林福兰克林福兰克林.斯塔尔斯塔尔斯塔尔斯塔尔(Franklin(Franklin(Franklin(Franklin Stahl)Stahl)Stahl)Stahl)1958 Matthew Meselson和Frank目目 录录n密度梯度实验密度梯度实验 实验结果支持实验结果支持实验结果支持实验结果支持半保留复制半保留复制半保留复制半保留复制的设想。的设想。的设想。的设想。含重氮含重氮含重氮含重氮-DNA-DNA的细菌的细菌的细菌的细菌培养于普培养于普培养于普培养于普通培养液通培养液通培养液通培养液 第一代第一代第一代第一代继续培养于继续培养于继续培养于继续培养于普通培养液普通培养液普通培养液普通培养液 第二代第二代第二代第二代梯度离心结果梯度离心结果梯度离心结果梯度离心结果密度梯度实验 实验结果支持半保留复制的设想。含重氮-D目目 录录按按按按半半半半保保保保留留留留复复复复制制制制方方方方式式式式，子子子子代代代代DNADNA与与与与亲亲亲亲代代代代DNDNA A A A的的的的碱碱碱碱基基基基序序序序列列列列一一一一致致致致，即即即即子子子子代代代代保保保保留留留留了了了了亲亲亲亲代代代代的的的的全全全全部部部部遗遗遗遗传信息，体现了遗传的传信息，体现了遗传的传信息，体现了遗传的传信息，体现了遗传的保守性保守性保守性保守性。n半保留复制的意义半保留复制的意义遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但但但但不是绝对的不是绝对的不是绝对的不是绝对的。按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致，即子目目 录录二、复制的半不连续性二、复制的半不连续性3 3 5 5 3 3 5 5 解链方向解链方向解链方向解链方向335 5 3 3 3355领头链领头链领头链领头链(leading strand)(leading strand)随从链随从链随从链随从链(lagging strand)(lagging strand)二、复制的半不连续性3535解链方向3533目目 录录n顺顺顺顺着着着着解解解解链链链链方方方方向向向向生生生生成成成成的的的的子子子子链链链链，复复复复制制制制是是是是连连连连续续续续进进进进行行行行的的的的，这股链称为这股链称为这股链称为这股链称为领头链领头链领头链领头链。n另另另另一一一一股股股股链链链链因因因因为为为为复复复复制制制制的的的的方方方方向向向向与与与与解解解解链链链链方方方方向向向向相相相相反反反反，不不不不能能能能顺顺顺顺着着着着解解解解链链链链方方方方向向向向连连连连续续续续延延延延长长长长，这这这这股股股股不不不不连连连连续续续续复复复复制制制制的的的的链链链链称称称称为为为为随随随随从从从从链链链链。复复复复制制制制中中中中的的的的不不不不连连连连续续续续片片片片段段段段称称称称为为为为岡岡岡岡崎崎崎崎片片片片段段段段(okazaki fragment)(okazaki fragment)。n领领领领头头头头链链链链连连连连续续续续复复复复制制制制而而而而随随随随从从从从链链链链不不不不连连连连续续续续复复复复制制制制，就就就就是是是是复复复复制制制制的的的的半不连续性半不连续性半不连续性半不连续性。顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链。目目 录录 DNA复制的酶学和拓扑学变化复制的酶学和拓扑学变化The Enzymology of DNA Replication第二节第二节 DNA复制的酶学和拓扑学变化第二节目目 录录n参与参与DNA复制的物质复制的物质 底物底物底物底物(substratesubstrate):d dATP,dGTP,dCTP,dTTPATP,dGTP,dCTP,dTTP聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶(polymerase):(polymerase):依赖依赖依赖依赖DNADNA的的的的DNADNA聚合酶，简写聚合酶，简写聚合酶，简写聚合酶，简写 为为为为 DNA-polDNA-pol模板模板模板模板(template):(template):解开成单链的解开成单链的解开成单链的解开成单链的DNADNA母链母链母链母链引物引物引物引物(primer):(primer):提供提供提供提供3 3 -OH-OH末端使末端使末端使末端使dNTPdNTP可以依次聚可以依次聚可以依次聚可以依次聚合合合合 其他的酶和蛋白质因子其他的酶和蛋白质因子其他的酶和蛋白质因子其他的酶和蛋白质因子参与DNA复制的物质 底物(substrate):dAT一、复制的化学反应一、复制的化学反应 (dNMP)(dNMP)n n +dNTP (dNMP)dNTP (dNMP)n+1n+1 +PPi PPi 目目目目 录录录录一、复制的化学反应(dNMP)n+dNTP (dN目目 录录聚合反应的特点聚合反应的特点DNA DNA 新链生成需新链生成需新链生成需新链生成需引物引物引物引物和和和和模板模板模板模板；新链的延长只可沿新链的延长只可沿新链的延长只可沿新链的延长只可沿5 5 3 3 方向进行方向进行方向进行方向进行 。聚合反应的特点DNA 新链生成需引物和模板；目目 录录二、二、DNA聚合酶聚合酶全称：全称：依赖依赖DNA的的DNA聚合酶聚合酶(DNA-dependent DNA polymerase)简称：简称：DNA-pol活性：活性：活性：活性：1 1.5 53 3 的聚合活性的聚合活性的聚合活性的聚合活性2.2.核酸外切酶活性核酸外切酶活性核酸外切酶活性核酸外切酶活性二、DNA聚合酶全称：依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-d5 5 A G C T T C A G G A T A G C T T C A G G A T A A 3 3|3 T C G A A G T C C T A G C G A C 53 T C G A A G T C C T A G C G A C 5n 3 3 5 5 外切酶活性外切酶活性外切酶活性外切酶活性 n 5 5 3 3 外切酶活性外切酶活性外切酶活性外切酶活性?能切除突变的能切除突变的能切除突变的能切除突变的 DNADNA片段。片段。片段。片段。能辨认错配的碱基对，并将其水解。能辨认错配的碱基对，并将其水解。能辨认错配的碱基对，并将其水解。能辨认错配的碱基对，并将其水解。n 核酸外切酶活性核酸外切酶活性 目目目目 录录录录5 A G C T T C A G 目目 录录（一）原核生物的（一）原核生物的DNA聚合酶聚合酶DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol （一）原核生物的DNA聚合酶DNA-pol 目目 录录（一）原核生物的（一）原核生物的DNA聚合酶聚合酶（一）原核生物的DNA聚合酶目目 录录功能功能功能功能：对复制中的错误进行校读，对复制和对复制中的错误进行校读，对复制和对复制中的错误进行校读，对复制和对复制中的错误进行校读，对复制和修复中出现的空隙进行填补。修复中出现的空隙进行填补。修复中出现的空隙进行填补。修复中出现的空隙进行填补。(损伤修复，填补空隙）损伤修复，填补空隙）损伤修复，填补空隙）损伤修复，填补空隙）DNA-pol DNA-pol （109kD109kD）功能：对复制中的错误进行校读，对复制和修复中出现的空隙进行填目目 录录323323个氨基酸个氨基酸个氨基酸个氨基酸小片段小片段小片段小片段5 5 核酸外切酶活性核酸外切酶活性核酸外切酶活性核酸外切酶活性大片段大片段大片段大片段/Klenow/Klenow 片段片段片段片段 604604个氨基酸个氨基酸个氨基酸个氨基酸DNADNA聚合酶活性聚合酶活性聚合酶活性聚合酶活性 3 3 5 5 核酸外切酶活核酸外切酶活核酸外切酶活核酸外切酶活性性性性N N 端端端端C C 端端端端木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶DNA-pol DNA-pol nKlenowKlenow片段是实验室合成片段是实验室合成片段是实验室合成片段是实验室合成DNADNA，进行，进行，进行，进行分子生物学研究中常用的工具酶。分子生物学研究中常用的工具酶。分子生物学研究中常用的工具酶。分子生物学研究中常用的工具酶。323个氨基酸小片段5 核酸外切酶活性大片段/Kl目目 录录DNA-pol（120kD）n DNA-pol IIDNA-pol II基因发生突变，细菌依然能存活。基因发生突变，细菌依然能存活。基因发生突变，细菌依然能存活。基因发生突变，细菌依然能存活。n 它参与它参与它参与它参与DNADNA损伤的应急状态修复。损伤的应急状态修复。损伤的应急状态修复。损伤的应急状态修复。DNA-pol（120kD）DNA-pol II基因目目 录录功能功能功能功能是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。DNA-pol DNA-pol (250kD)(250kD)功能DNA-pol 目目 录录DNADNA聚合聚合聚合聚合酶酶酶酶 DNADNA聚合聚合聚合聚合酶酶酶酶DNADNA聚合聚合聚合聚合酶酶酶酶不同种不同种不同种不同种类亚类亚基数目基数目基数目基数目1 1771010相相相相对对分子分子分子分子质质量量量量103 000103 00088 00088 000900 000 900 000 5353核酸聚合核酸聚合核酸聚合核酸聚合酶酶酶酶活活活活性性性性+3535核酸外切核酸外切核酸外切核酸外切酶酶酶酶活活活活性性性性+5353核酸外切核酸外切核酸外切核酸外切酶酶酶酶活活活活性性性性+-聚合速度（核苷酸聚合速度（核苷酸聚合速度（核苷酸聚合速度（核苷酸/分）分）分）分）1 00012001 00012002400240015 00060 00015 00060 000持持持持续续合成能力合成能力合成能力合成能力3200320015001500500 000500 000分子数分子数分子数分子数/细细胞胞胞胞40040010010010201020功能功能功能功能切除引物，修复切除引物，修复切除引物，修复切除引物，修复修复修复修复修复复制复制复制复制DNA聚合酶DNA聚合酶DNA聚合酶不同种类亚基数目1目目 录录（二）真核生物的（二）真核生物的DNADNA聚合酶聚合酶DNA-pol DNA-pol 起始引发，有引物酶活性。起始引发，有引物酶活性。起始引发，有引物酶活性。起始引发，有引物酶活性。延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。参与低保真度的复制参与低保真度的复制参与低保真度的复制参与低保真度的复制 ,参与核参与核参与核参与核DNADNADNADNA的修复的修复的修复的修复.在复制过程中起校读、修复和填补缺在复制过程中起校读、修复和填补缺在复制过程中起校读、修复和填补缺在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。口的作用。口的作用。口的作用。在在在在线粒体线粒体线粒体线粒体DNADNA复制中起催化作用。复制中起催化作用。复制中起催化作用。复制中起催化作用。DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol （二）真核生物的DNA聚合酶DNA-pol 起始引发，有引目目 录录第14章DNA的复制与修复(药学)课件目目 录录三、复制保真性的酶学依据三、复制保真性的酶学依据n复制按照碱基配对规律进行，是遗传信息能准复制按照碱基配对规律进行，是遗传信息能准复制按照碱基配对规律进行，是遗传信息能准复制按照碱基配对规律进行，是遗传信息能准确传代的基本原理。确传代的基本原理。确传代的基本原理。确传代的基本原理。n复制保真性的酶学机制：复制保真性的酶学机制：复制保真性的酶学机制：复制保真性的酶学机制：（一）（一）（一）（一）DNA-polDNA-pol的核酸外切酶活性和及时校读的核酸外切酶活性和及时校读的核酸外切酶活性和及时校读的核酸外切酶活性和及时校读 （二）复制的保真性和碱基选择（二）复制的保真性和碱基选择（二）复制的保真性和碱基选择（二）复制的保真性和碱基选择三、复制保真性的酶学依据复制按照碱基配对规律进行，是遗传信息目目 录录（一）（一）DNA-pol的核酸外切酶活性和及时校读的核酸外切酶活性和及时校读A A：DNA-polDNA-pol的外切酶活性切除错配碱基；并用的外切酶活性切除错配碱基；并用的外切酶活性切除错配碱基；并用的外切酶活性切除错配碱基；并用其聚合活性掺入正确配对的底物。其聚合活性掺入正确配对的底物。其聚合活性掺入正确配对的底物。其聚合活性掺入正确配对的底物。B B：碱基配对正确，：碱基配对正确，：碱基配对正确，：碱基配对正确，DNA-polDNA-pol不表现活性。不表现活性。不表现活性。不表现活性。（一）DNA-pol的核酸外切酶活性和及时校读A：DNA-p目目 录录（二）复制的保真性和（二）复制的保真性和碱基选择碱基选择 DNADNA聚合酶靠其大分子结构协调非共价（氢键）聚合酶靠其大分子结构协调非共价（氢键）聚合酶靠其大分子结构协调非共价（氢键）聚合酶靠其大分子结构协调非共价（氢键）与共价（磷酸二酯键）键的有序形成。与共价（磷酸二酯键）键的有序形成。与共价（磷酸二酯键）键的有序形成。与共价（磷酸二酯键）键的有序形成。嘌呤的化学结构能形成顺式和反式构型，与相应嘌呤的化学结构能形成顺式和反式构型，与相应嘌呤的化学结构能形成顺式和反式构型，与相应嘌呤的化学结构能形成顺式和反式构型，与相应的嘧啶形成氢键配对，嘌呤应处于的嘧啶形成氢键配对，嘌呤应处于的嘧啶形成氢键配对，嘌呤应处于的嘧啶形成氢键配对，嘌呤应处于反式构型反式构型反式构型反式构型。（二）复制的保真性和碱基选择 DNA聚合酶靠其大分子结构协目目 录录1.1.遵守严格的碱基配对规律；遵守严格的碱基配对规律；遵守严格的碱基配对规律；遵守严格的碱基配对规律；2.2.聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能；聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能；聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能；聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能；3.3.复制出错时复制出错时复制出错时复制出错时DNA-polDNA-pol的及时校读功能。的及时校读功能。的及时校读功能。的及时校读功能。DNA复制的保真性至少要依赖三种机制复制的保真性至少要依赖三种机制 1.遵守严格的碱基配对规律；DNA复制的保真性至少要依赖三目目 录录四、复制中的分子解链及四、复制中的分子解链及DNA 分子分子拓扑学变化拓扑学变化 DNA分子的碱基埋在双螺旋内部，只有把分子的碱基埋在双螺旋内部，只有把DNA解成单链，它才能起模板作用。解成单链，它才能起模板作用。四、复制中的分子解链及DNA 分子拓扑学变化 DNA分子的碱目目 录录（一）解螺旋酶、引物酶和单链（一）解螺旋酶、引物酶和单链DNA结合蛋白结合蛋白（一）解螺旋酶、引物酶和单链DNA结合蛋白E.Coli E.Coli 基因图基因图基因图基因图目目目目 录录录录E.Coli 基因图目 录目目 录录n解螺旋酶解螺旋酶解螺旋酶解螺旋酶(helicase)helicase)利用利用利用利用ATPATP供能，作用于氢键，使供能，作用于氢键，使供能，作用于氢键，使供能，作用于氢键，使DNADNA双链双链双链双链解开成为两条单链解开成为两条单链解开成为两条单链解开成为两条单链n引物酶引物酶引物酶引物酶(primase)(primase)复制起始时催化生成复制起始时催化生成复制起始时催化生成复制起始时催化生成RNARNA引物的酶引物的酶引物的酶引物的酶n单链单链单链单链DNADNA结合蛋白结合蛋白结合蛋白结合蛋白(single stranded DNA binding(single stranded DNA binding protein,SSB)protein,SSB)在复制中维持模板处于单链状态并保护单在复制中维持模板处于单链状态并保护单在复制中维持模板处于单链状态并保护单在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整链的完整链的完整链的完整 解螺旋酶(helicase)目目 录录解旋酶解旋酶 (helicase)(helicase)解螺旋酶解螺旋酶作用作用：断裂互补碱基间的氢键，使：断裂互补碱基间的氢键，使DNADNA成单链成单链dnaA、B、CDnaA、B、CATP解旋酶(helicase)解螺旋酶作用：断裂互补碱基间的氢目目 录录引物酶引物酶(PrimasePrimase)5555催化催化RNARNA引物引物合成的酶叫合成的酶叫引物酶引物酶，它是一种特，它是一种特殊的殊的RNARNA聚合酶聚合酶 DNADNA合成需在合成需在RNARNA引物引物的基础上进行的基础上进行RNARNA引物引物55335533引物酶(Primase)55催化RNA引物合成的酶叫引目目 录录单链单链DNADNA结合蛋白（结合蛋白（SSBSSB）作用作用：防止单链防止单链DNADNA重重新形成双链，防止单新形成双链，防止单链链DNADNA被核酸酶水解被核酸酶水解（协同效应）（协同效应）SSBSSB单链DNA结合蛋白（SSB）作用：防止单链DNA重新形成双链目目 录录10 8 局部解链后局部解链后局部解链后局部解链后（二）（二）DNA拓扑异构酶拓扑异构酶(DNA topoisomerase)10 8 局部解链后（二）DNA拓扑异构酶(DNA top解链过程中正超螺旋的形成解链过程中正超螺旋的形成解链过程中正超螺旋的形成解链过程中正超螺旋的形成目目目目 录录录录解链过程中正超螺旋的形成目 录目目 录录n拓扑异构酶作用特点拓扑异构酶作用特点既能水解既能水解既能水解既能水解 、又能连接磷酸二酯键、又能连接磷酸二酯键、又能连接磷酸二酯键、又能连接磷酸二酯键 拓扑异构酶拓扑异构酶 拓扑异构酶拓扑异构酶n分分 类类拓扑异构酶作用特点 拓扑异构酶分 类目目 录录拓扑异拓扑异拓扑异拓扑异构酶构酶构酶构酶 切断切断切断切断DNADNA双链中双链中双链中双链中一股一股一股一股链，使链，使链，使链，使DNADNA解链旋转不致打结；适当时候封解链旋转不致打结；适当时候封解链旋转不致打结；适当时候封解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，闭切口，闭切口，闭切口，DNADNA变为松弛状态变为松弛状态变为松弛状态变为松弛状态。反应反应反应反应不需不需不需不需ATPATP。拓扑异拓扑异拓扑异拓扑异构酶构酶构酶构酶切断切断切断切断DNADNA分子分子分子分子两股两股两股两股链，断端通过链，断端通过链，断端通过链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。切口旋转使超螺旋松弛。切口旋转使超螺旋松弛。切口旋转使超螺旋松弛。利用利用利用利用ATPATP供能，连接断端，供能，连接断端，供能，连接断端，供能，连接断端，DNADNA分子进入负超螺旋状态。分子进入负超螺旋状态。分子进入负超螺旋状态。分子进入负超螺旋状态。n作用机制作用机制 拓扑异构酶切断DNA双链中一股链，使DNA解链旋转不致打结目目 录录五、五、DNA连接酶连接酶连连连连接接接接DNADNA链链链链3 3 -OH-OH末末末末端端端端和和和和相相相相邻邻邻邻DNADNA链链链链5 5 -P P末末末末端端端端，使使使使二二二二者者者者生生生生成成成成磷磷磷磷酸酸酸酸二二二二酯酯酯酯键键键键，从从从从而而而而把把把把两两两两段段段段相邻的相邻的相邻的相邻的DNADNA链连接成一条完整的链。链连接成一条完整的链。链连接成一条完整的链。链连接成一条完整的链。n DNA连接酶连接酶(DNA ligase)作用方式作用方式五、DNA连接酶连接DNA链3-OH末端和相邻DNA链5HOHO5 5 3 3 3 3 5 5 DNADNA连接酶连接酶连接酶连接酶ATPATPADPADP5 5 3 3 5 5 3 3 目目目目 录录录录HO5335DNA连接酶ATPADP5353目目 录录nDNADNA连连连连接接接接酶酶酶酶在在在在复复复复制制制制中中中中起起起起最最最最后后后后接接接接合合合合缺缺缺缺口口口口的的的的作用。作用。作用。作用。n在在在在DNADNA修修修修复复复复、重重重重组组组组及及及及剪剪剪剪接接接接中中中中也也也也起起起起缝缝缝缝合合合合缺缺缺缺口作用。口作用。口作用。口作用。n也是基因工程的重要工具酶之一。也是基因工程的重要工具酶之一。也是基因工程的重要工具酶之一。也是基因工程的重要工具酶之一。n功能功能DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的作用。功能目目 录录 小小 结结主要成员主要成员 主要作用主要作用DnaA DnaA 识别复制起始位点识别复制起始位点解螺旋酶解螺旋酶 解开解开DNADNA双链双链SSB SSB 维持已解开单链维持已解开单链DNADNA的稳定的稳定引物酶引物酶 合成合成RNARNA引物引物 TOPO TOPO 使打结、缠绕、正超螺旋的使打结、缠绕、正超螺旋的DNADNA松驰松驰DNA-pol DNADNA-pol DNA复制复制DNA-pol DNA-pol 水解引物、填补空隙、修复作用水解引物、填补空隙、修复作用DNADNA连接酶连接酶 催化双链催化双链DNADNA中单链缺口的连接中单链缺口的连接 小 结主目目 录录DNA生物合成过程生物合成过程The Process of DNA Replication第三节第三节DNA生物合成过程第三节目目 录录1.1.复制的起始复制的起始2.2.复制复制的延长的延长3.3.复制的终止复制的终止1.复制的起始2.复制的延长3.复制的终止目目 录录（一）复制的起始（一）复制的起始需要解决两个问题：需要解决两个问题：需要解决两个问题：需要解决两个问题：1 1.DNADNA解开成单链，提供模板。解开成单链，提供模板。解开成单链，提供模板。解开成单链，提供模板。2.2.合成引物，提供合成引物，提供合成引物，提供合成引物，提供3 3 -OH-OH末端。末端。末端。末端。一、原核生物的一、原核生物的DNA生物合成生物合成 （一）复制的起始需要解决两个问题：1.DNA解开成单链，提目目 录录E.coliE.coli复制起始点复制起始点复制起始点复制起始点 oriCoriC GATTNTTTATTT GATTNTTTATTT GATCTNTTNTATT GATCTNTTNTATT GATCTCTTATTAG GATCTCTTATTAG 1 13 17 29 32 1 13 17 29 32 44 44 TGTGGATTA-TGTGGATTA-TTATACACA-TTATACACA-TTTGGATAA-TTTGGATAA-TTATCCACATTATCCACA58 66 166 174 201 209 237 58 66 166 174 201 209 237 245245 串联重复序列串联重复序列串联重复序列串联重复序列 反向重复序列反向重复序列反向重复序列反向重复序列5 5 3 3 5 5 3 3 1.DNA解链解链E.coli复制起始点 oriC GATTNTTTATTT 目目 录录E.coliE.coli复制起始点复制起始点oriCoriC跨度为跨度为245bp245bp，有有3 3组组串联重复序列串联重复序列和和2 2对对反向重复序列反向重复序列 E.coli复制起始点oriC跨度为245bp，有3组串联重目目 录录GATTNTTTATTTGATCTNTTNTATTGATCTCTTATTAG串联串联重复序列重复序列 反向反向重复序列重复序列TTTGGATAA.TTATCCACA TGTGGATTATTATACACA GATTNTTTATTTGATCTNTTNTATTGAT目目 录录2.引发体和引物引发体和引物2.引发体和引物目目 录录 Dna A Dna A Dna B Dna B、Dna CDna CDNADNA拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶引物引物引物引物酶酶酶酶SSBSSB3 3 5 5 3 3 5 5 含有解螺旋酶、含有解螺旋酶、含有解螺旋酶、含有解螺旋酶、DnaCDnaC蛋白、引物酶和蛋白、引物酶和蛋白、引物酶和蛋白、引物酶和DNADNA复制起始区域的复合结构称为引发体。复制起始区域的复合结构称为引发体。复制起始区域的复合结构称为引发体。复制起始区域的复合结构称为引发体。Dna A Dna B、Dna CDNA目目 录录3 3 5 5 3 3 5 5 引物是由引物酶催化合成的短链引物是由引物酶催化合成的短链引物是由引物酶催化合成的短链引物是由引物酶催化合成的短链RNARNA分子。分子。分子。分子。引物引物引物引物3 3 HOHO55引物引物引物引物酶酶酶酶3535引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。引目目 录录（二）复制的延长（二）复制的延长复复复复制制制制的的的的延延延延长长长长指指指指在在在在DNA-polDNA-pol催催催催化化化化下下下下，dNTPdNTP以以以以dNMPdNMP的的的的方方方方式式式式逐逐逐逐个个个个加加加加入入入入引引引引物物物物或或或或延延延延长长长长中中中中的的的的子子子子链链链链上上上上，其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。（二）复制的延长复制的延长指在DNA-pol催化下，dNTP目目 录录 5 5 3 355dATPdATPdGTPdGTPdTTPdTTPdCTPdCTPdTTPdTTPdGTPdGTPdATPdATPdCTPdCTPOH 3OH 33 3 3 3 DNA-polDNA-pol目目目目 录录录录 5 35dATPdGTPdTTPdCTPdTTP领头链的合成领头链的合成目目目目 录录录录领头链的合成目 录随从链的合成随从链的合成目目目目 录录录录随从链的合成目 录目目目目 录录录录目 录目目 录录（三）复制的终止（三）复制的终止终止子位点：终止子位点：ter A-ter Fter A-ter FTus:Tus:与终止子位点结合的蛋白质与终止子位点结合的蛋白质（三）复制的终止终止子位点：ter A-ter F目目 录录第14章DNA的复制与修复(药学)课件目目 录录 由由DNA聚合酶聚合酶I完成切除引物，完成切除引物，并且填补空隙，由并且填补空隙，由DNA连接酶将连接酶将DNA片段连接起来。片段连接起来。由DNA聚合酶I完成切除引物，并且填补空隙，目目 录录5 5 5 5 5 5 RNARNA酶酶酶酶OHOHP P5 5 DNA-pol DNA-pol dNTPdNTP5 5 5 5 P PATPATP ADP+Pi ADP+Pi5 5 5 5 DNADNA连接酶连接酶连接酶连接酶555RNA酶OHP5DNA-pol dNTP5目目 录录反转录和其他复制方式反转录和其他复制方式Reverse Transcription and Other DNA Replication Ways第四节第四节反转录和其他复制方式第四节目目 录录反反转录酶转录酶(reverse transcriptase)反反转录转录(reverse transcription)反反反反转录转录转录转录酶酶酶酶一、反转录病毒和反转录酶一、反转录病毒和反转录酶 反转录酶(reverse transcriptase)目目 录录反转录病毒细胞内的反转录现象反转录病毒细胞内的反转录现象RNA RNA 模板模板模板模板反转录酶反转录酶反转录酶反转录酶DNADNA-RNA -RNA 杂化双链杂化双链杂化双链杂化双链RNARNA酶酶酶酶单链单链单链单链DNADNA反转录酶反转录酶反转录酶反转录酶双链双链双链双链DNADNA反转录病毒细胞内的反转录现象RNA 模板反转录酶DNA-RN目目 录录二、反转录研究的意义二、反转录研究的意义 n反转录酶和反转录现象，是分子生物学研究中反转录酶和反转录现象，是分子生物学研究中反转录酶和反转录现象，是分子生物学研究中反转录酶和反转录现象，是分子生物学研究中的重大发现。的重大发现。的重大发现。的重大发现。n反转录现象说明：至少在某些生物，反转录现象说明：至少在某些生物，反转录现象说明：至少在某些生物，反转录现象说明：至少在某些生物，RNARNA同样同样同样同样兼有遗传信息传代与表达功能。兼有遗传信息传代与表达功能。兼有遗传信息传代与表达功能。兼有遗传信息传代与表达功能。n对反转录病毒的研究，拓宽了对反转录病毒的研究，拓宽了对反转录病毒的研究，拓宽了对反转录病毒的研究，拓宽了2020世纪初已注意世纪初已注意世纪初已注意世纪初已注意到的病毒致癌理论。到的病毒致癌理论。到的病毒致癌理论。到的病毒致癌理论。二、反转录研究的意义 反转录酶和反转录现象，是分子生物学研究目目 录录n 滚环复制滚环复制滚环复制滚环复制(rolling circle replication)(rolling circle replication)三、滚环复制和三、滚环复制和D环复制环复制 是某些低等生物的复制形式，如是某些低等生物的复制形式，如是某些低等生物的复制形式，如是某些低等生物的复制形式，如 X X174174和和和和M13M13噬菌体等。噬菌体等。噬菌体等。噬菌体等。滚环复制(rolling circle replicati3 3 -OH-OH5 5 -P-P5 5 5 5 5 5 3 3 3 3 3 3 3 3 55滚环复制滚环复制55 5 5 3 3 3 3 5 5 目目目目 录录录录3-OH5-P55533335滚环复制5目目 录录dNTPdNTPDNA-pol DNA-pol n D D环复制环复制环复制环复制(D-loop replication)(D-loop replication)是线粒体是线粒体是线粒体是线粒体DNA(mitochondrial DNADNA(mitochondrial DNA，mtDNA)mtDNA)的复制形式。的复制形式。的复制形式。的复制形式。dNTPDNA-pol D环复制(D-loop rep目目 录录DNA损伤（突变）与修复损伤（突变）与修复DNA Damage(Mutation)and Repair第五节第五节DNA损伤（突变）与修复第五节目目 录录遗传物质的结构改变而引起的遗传信息遗传物质的结构改变而引起的遗传信息遗传物质的结构改变而引起的遗传信息遗传物质的结构改变而引起的遗传信息改变，均可称为改变，均可称为改变，均可称为改变，均可称为突变。突变。突变。突变。在复制过程中发生的在复制过程中发生的在复制过程中发生的在复制过程中发生的DNADNA突变称为突变称为突变称为突变称为DNADNA损伤损伤损伤损伤(DNA damage)(DNA damage)。从分子水平来看，突变就是从分子水平来看，突变就是从分子水平来看，突变就是从分子水平来看，突变就是DNADNA分子上分子上分子上分子上碱基的改变。碱基的改变。碱基的改变。碱基的改变。遗传物质的结构改变而引起的遗传信息改变，均可称为突变。在复制目目 录录一、突变的意义一、突变的意义（一）突变是进化、分化的分子基础（一）突变是进化、分化的分子基础（二）突变导致基因型改变（二）突变导致基因型改变（三）突变导致死亡（三）突变导致死亡（四）突变是某些疾病的发病基础（四）突变是某些疾病的发病基础 一、突变的意义（一）突变是进化、分化的分子基础 目目 录录二、引发突变的因素二、引发突变的因素物理因素物理因素物理因素物理因素 紫外线紫外线紫外线紫外线(ultra violet,UV)(ultra violet,UV)、各种辐射、各种辐射、各种辐射、各种辐射 UV二、引发突变的因素物理因素 紫外线(ultra viole化学因素化学因素化学因素化学因素目目目目 录录录录化学因素目 录目目 录录三、突变的分子改变类型三、突变的分子改变类型n错配错配错配错配 (mismatch)(mismatch)n缺失缺失缺失缺失 (deletion)(deletion)n插入插入插入插入 (insertion)(insertion)n重排重排重排重排 (rearrangement)(rearrangement)框移框移框移框移(frame-shift)(frame-shift)三、突变的分子改变类型错配(mismatch)框移目目 录录DNADNA分子上的碱基错配称分子上的碱基错配称分子上的碱基错配称分子上的碱基错配称点突变点突变点突变点突变(point mutation)(point mutation)。发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。1.转换转换发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。或嘧啶变嘌呤。或嘧啶变嘌呤。或嘧啶变嘌呤。2.颠换颠换（一）错配（一）错配DNA分子上的碱基错配称点突变(point mutation目目 录录镰形红细胞贫血病人镰形红细胞贫血病人镰形红细胞贫血病人镰形红细胞贫血病人Hb(HbS)Hb(HbS)亚基亚基亚基亚基N N-val-val hishis leu leu thrthr pro pro valval glu glu C C 肽链肽链肽链肽链C CA AC C GTGGTG基因基因基因基因正常成人正常成人正常成人正常成人Hb(HbA)Hb(HbA)亚基亚基亚基亚基N N-val-val hishis leu leu thrthr pro pro gluglu glu glu C C 肽链肽链肽链肽链C CT TC CGAGGAG基因基因基因基因镰形红细胞贫血病人Hb(HbS)亚基N-val h目目 录录（二）缺失（二）缺失、插入插入和框移和框移缺失：缺失：缺失：缺失：一个碱基或一段核苷酸链从一个碱基或一段核苷酸链从一个碱基或一段核苷酸链从一个碱基或一段核苷酸链从DNADNA大分子上大分子上大分子上大分子上消失。消失。消失。消失。插入：插入：插入：插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到到到到DNADNA大分子中间。大分子中间。大分子中间。大分子中间。n移码突变移码突变移码突变移码突变是指三联体密码的阅读方式改变，造是指三联体密码的阅读方式改变，造是指三联体密码的阅读方式改变，造是指三联体密码的阅读方式改变，造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。n缺失或插入都可导致缺失或插入都可导致缺失或插入都可导致缺失或插入都可导致移码突变移码突变移码突变移码突变 。（二）缺失、插入和框移缺失：一个碱基或一段核苷酸链从DNA大目目 录录谷谷谷谷 酪酪酪酪 蛋蛋蛋蛋 丝丝丝丝5 5 G G C C A A G U AG U A C A UC A U G U CG U C 丙丙丙丙 缬缬缬缬 组组组组 缬缬缬缬正常正常正常正常5 5 G A GG A G U A CU A C A U GA U G U C U C 缺失缺失缺失缺失C C缺失引起框移突变缺失引起框移突变谷 酪 蛋 目目 录录（三）重排（三）重排DNA分子内较大片段的交换，称为分子内较大片段的交换，称为重组或重排。重组或重排。（三）重排DNA分子内较大片段的交换，称为重组或重排。由基因重排引起的两种地中海贫血基因型由基因重排引起的两种地中海贫血基因型目目目目 录录录录由基因重排引起的两种地中海贫血基因型目 录目目 录录四、四、DNA损伤的修复损伤的修复修复修复(repairing)是对已发生分子改变的补偿措施，使其是对已发生分子改变的补偿措施，使其是对已发生分子改变的补偿措施，使其是对已发生分子改变的补偿措施，使其回复为原有的天然状态。回复为原有的天然状态。回复为原有的天然状态。回复为原有的天然状态。n光修复光修复光修复光修复(light repairing)(light repairing)n切除修复切除修复切除修复切除修复(excision repairing)(excision repairing)n重组修复重组修复重组修复重组修复(recombination repairing)(recombination repairing)nSOSSOS修复修复修复修复 修复的主要类型修复的主要类型四、DNA损伤的修复修复(repairing)光修复(li目目 录录（一）光修复（一）光修复光修复酶光修复酶光修复酶光修复酶(photolyase)(photolyase)UV（一）光修复光修复酶(photolyase)UVUvrAUvrAUvrBUvrBUvrCUvrCOHOHP PDNADNA聚合酶聚合酶聚合酶聚合酶 OHOHP P （二）切除修复（二）切除修复是细胞内最重要和是细胞内最重要和是细胞内最重要和是细胞内最重要和有效的修复机制，主要有效的修复机制，主要有效的修复机制，主要有效的修复机制，主要由由由由DNA-polDNA-pol和连接酶完和连接酶完和连接酶完和连接酶完成。成。成。成。DNADNA连接酶连接酶连接酶连接酶ATPATPE.coliE.coli的切除的切除的切除的切除修复机制修复机制修复机制修复机制目目目目 录录录录UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶OHP（二）切目目 录录切切切切 除除除除 修修修修 复复复复 动动动动 画画画画切 除 修 复 动 画目目 录录着色性干皮病着色性干皮病(XP)(XP)着色性干皮病(XP)目目 录录案例分析案例分析n n着色性干皮病着色性干皮病着色性干皮病着色性干皮病(XP)(XP)此病为常染色体隐性遗传病此病为常染色体隐性遗传病此病为常染色体隐性遗传病此病为常染色体隐性遗传病,患者皮肤对日光敏感患者皮肤对日光敏感患者皮肤对日光敏感患者皮肤对日光敏感,病变累及颜面病变累及颜面病变累及颜面病变累及颜面,肩，臂等肩，臂等肩，臂等肩，臂等.n n发病机制发病机制发病机制发病机制XPAXPA基因第基因第基因第基因第631631位碱基由胞嘧啶突变为胸腺嘧啶位碱基由胞嘧啶突变为胸腺嘧啶位碱基由胞嘧啶突变为胸腺嘧啶位碱基由胞嘧啶突变为胸腺嘧啶(转换转换转换转换)第第第第211211位氨基酸由精氨酸突变为终止位氨基酸由精氨酸突变为终止位氨基酸由精氨酸突变为终止位氨基酸由精氨酸突变为终止密码子密码子密码子密码子所编码的所编码的所编码的所编码的XPAXPA蛋白在蛋白在蛋白在蛋白在C C端缺失了端缺失了端缺失了端缺失了6363个个个个氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸XPAXPA蛋白功能蛋白功能蛋白功能蛋白功能(参与参与参与参与DNADNA的切除修复的切除修复的切除修复的切除修复)产生缺陷产生缺陷产生缺陷产生缺陷DNADNA损伤修复失效损伤修复失效损伤修复失效损伤修复失效日晒诱日晒诱日晒诱日晒诱发发发发DNADNA链嘧啶二聚体形成链嘧啶二聚体形成链嘧啶二聚体形成链嘧啶二聚体形成皮肤发生色素沉皮肤发生色素沉皮肤发生色素沉皮肤发生色素沉着着着着,萎缩萎缩萎缩萎缩.案例分析着色性干皮病(XP)目目 录录 先复制再修复。子代链在对应模板链的损先复制再修复。子代链在对应模板链的损伤伤 处留下缺口，先将同源母链处留下缺口，先将同源母链DNA上相应的上相应的核苷酸片段转移替补，然后再合成一段序列填核苷酸片段转移替补，然后再合成一段序列填充缺口。充缺口。（三）重组修复（三）重组修复 先复制再修复。子代链在对应模板链的损伤 处留下目目 录录（四）（四）SOS修复修复n当当当当DNADNA损损损损伤伤伤伤广广广广泛泛泛泛难难难难以以以以继继继继续续续续复复复复制制制制时时时时，由由由由此此此此而而而而诱诱诱诱发出一系列复杂的反应。发出一系列复杂的反应。发出一系列复杂的反应。发出一系列复杂的反应。n在在在在E.E.colicoli，各各各各种种种种与与与与修修修修复复复复有有有有关关关关的的的的基基基基因因因因，组组组组成成成成一一一一个个个个称为称为称为称为调节子调节子调节子调节子(regulon)(regulon)的网络式调控系统。的网络式调控系统。的网络式调控系统。的网络式调控系统。n这这这这种种种种修修修修复复复复特特特特异异异异性性性性低低低低，对对对对碱碱碱碱基基基基的的的的识识识识别别别别、选选选选择择择择能能能能力力力力差差差差。通通通通过过过过SOSSOS修修修修复复复复，复复复复制制制制如如如如能能能能继继继继续续续续，细细细细胞胞胞胞是是是是可可可可存存存存活活活活的的的的。然然然然而而而而DNADNA保保保保留留留留的的的的错错错错误误误误较较较较多多多多，导导导导致致致致较较较较广泛、长期的突变。广泛、长期的突变。广泛、长期的突变。广泛、长期的突变。（四）SOS修复当DNA损伤广泛难以继续复制时，由此而诱发出目目 录录习题选择选择n n1.1.1.1.DNADNADNADNA复制时，序列复制时，序列复制时，序列复制时，序列5555TpApGpApCpTTpApGpApCpTTpApGpApCpTTpApGpApCpT3333指导合成的互补指导合成的互补指导合成的互补指导合成的互补结构是结构是结构是结构是()n nA A A A、5555ApTpCpTpTpApApTpCpTpTpApApTpCpTpTpApApTpCpTpTpAp3 3 3 3 n nB B B B、5555ApGpTpCpTpApApGpTpCpTpApApGpTpCpTpApApGpTpCpTpAp3 3 3 3 n nC C C C、5555ApGpUpCpUpApApGpUpCpUpApApGpUpCpUpApApGpUpCpUpAp3 3 3 3 n nD D D D、3TpGpTpCpTpAp5 3TpGpTpCpTpAp5 3TpGpTpCpTpAp5 3TpGpTpCpTpAp5 E E E E、5555ApGpGpCpGpApApGpGpCpGpApApGpGpCpGpApApGpGpCpGpAp3333 n n冈崎片段是指冈崎片段是指冈崎片段是指冈崎片段是指()()()()n nA A A A、DNADNADNADNA模板上的模板上的模板上的模板上的DNADNADNADNA片段片段片段片段 n nB B B B、随从链上合成的、随从链上合成的、随从链上合成的、随从链上合成的DNADNADNADNA片段片段片段片段 n nC C C C、前导链上合成的、前导链上合成的、前导链上合成的、前导链上合成的DNA DNA DNA DNA 片段片段片段片段 n nD D D D、由、由、由、由DNADNADNADNA连接酶合成的连接酶合成的连接酶合成的连接酶合成的DNADNADNADNA片段片段片段片段n nE E E E、引物酶催化合成的、引物酶催化合成的、引物酶催化合成的、引物酶催化合成的RNARNARNARNA片段片段片段片段习题选