遗传物质的分子基础ppt课件

复制 亲代 DNA
子代 DNA
一、DNA 复制所需的酶及蛋白质
• DNA 解旋酶：利用ATP供能，作用于氢键，解 开DNA双螺旋链。
• DNA 单链结合蛋白：在复制中维持模板处于单 链状态并保护单链的完整。
• 引物酶：复制起始时催化生成 RNA 引物的酶。
DNA 聚合酶 (DNA polymerase, DNA-pol)：
第三章 遗传物质的分子基础
第二节 核酸的分子结构
• 1、DNA的分子结构 • 2、RNA的分子结构 • tRNA • rRNA • mRNA
第三节 DNA复制
DNA的复制概念
DNA复制 (replication)： DNA 分子在 DNA 合成酶系的作用下，合成与自 身分子结构相同的子代 DNA 的过程。
• 在真核细胞中，只有当启动子的DNA序列上结合 一个或多个特异的DNA结合蛋白时，才成为有功能 的启动子，可被聚合酶所识别。
RNA聚合酶—转录因子—启动子
转录因子：
• TF II B - RNA pol • TF II D - TATA框
形成复合物，启动转录。
• TF II E • TF II S
• 3、线粒体（mtDNA）的D环复制
mtDNA的结构特点：
人mtDNA是一个长为16,569 bp的双链闭合环状分子，外环含 G较多，称重链(H链)，内环含C 较多，称轻链(L链)。
mtDNA结构紧凑，没有内含 子，唯一的非编码区是D环区，长 约1,000 bp左右。
D 环 区 包 括 mtDNA 重 链 复 制起始点，重轻链转录的启动 子。
5’
O
3’
O P O- HO
O-
DNA连接酶
ATP ADP
5’
O
3’
O P O-
O-
3’ 5’
3’ 5’
• 端粒酶：在 DNA 复制终止时发挥作用的一种酶， 由RNA与具有反转录酶活性的蛋白质组成。
功能：以自带RNA片段为模板，催化补齐DNA端粒 末端的重复序列，避免DNA在复制中逐渐缩短。 普通的正常细胞中无端粒酶活性。
内含子
RNase P 核酸内切酶
转运Aa的 结合位点
tRNA核苷酸转移酶
其它碱基修饰
（三）转录的调节
真核细胞中转录调节的主要方式 ---- 基因附近的 DNA 序列与相关的 DNA 结合蛋白结合，促进或 抑制靶基因的转录。
• 顺式作用元件（cis-acting element）：对基因转 录有调节活性的DNA序列。 • 反式作用因子（trans-acting factor）：与顺式作 用元件结合的蛋白质，又称转录因子。
启动子
增强子 沉默子
作用： • 封闭 hnRNA 5’端，稳定 hnRNA，防其被降解； • 为核糖体小亚基识别位点，帮助 mRNA与核糖体 小亚基结合。
甲基化酶
加 尾 在3端加上含100~200个A的多聚腺苷酸尾巴(poly A tail) 。 • 作用：稳定mRNA, 并帮助其由核输出至胞质。
AAUAAA
AAUAAA
具有反转录 酶性质的端 粒酶。
二、DNA 复制的特征
1、半保留性 复制形成的子代DNA中，一条单链来自亲代模板 DNA，另一条单链则为完全重新合成的互补链。这 种复制方式称为半保留复制。
AT GC GC TA AT CG TA GC CG CG AT CG TA GC GC
母链DNA
CG CG AT CG TA GC GC
3’
5’
3、多起点性
真核生物 DNA 复制有多个起始点。 习惯上把具有一个DNA复制起点的复制单位称为 复制子 (replicon) 。 因此真核生物的DNA 复制是多复制子的双向复 制，最终互相连接。
4、不连续性 • DNA 聚合酶催化 DNA 链合成方向： 5’ 3’
5’
3’
3’
5’
复制子
复制过程中形成 的复制叉
AT
AT
GC
GC
GC
GC
TA
TA
AT
AT
CG
CG
TA
TA
GC + GC
CG
CG
CG
CG
AT
AT
CG
CG
TA
TA
GC
GC
GC
GC
子代DNA
2、双向性 两条DNA单链的复制从固定起点开始，向两侧相
反方向推进（各自分别沿新合成链的5’ 3’方向）。
引物酶
复制叉
(replication fork)
一、转录的基本过程 — 起始、延长、终止
1.转录的起始 • 原核生物的RNA聚合酶：4种亚基α, β, β’, 。
其中亚基识别转录起始点，称为转录的起始因子。


全酶


核心酶
• 真核生物的RNA聚合酶( 3种)：RNA 聚合酶 I、II、III. 亚基种类多，结构复杂。
顺式作用元件
• 启动子：包括TATA框、CAAT框及GC框（ GGGCGG）等；
• 增强子：能增强启动子功能活性、加速基因转录 的DNA序列，位置比较自由（可位于基因上下游 、或内含子中，距离可远可近）。 由多个增强体组成。
• 沉默子：与增强子作用相反的负性调控元件，阻 遏基因转录。
顺式作用元件(cis-acting element)
1
2
3
4
5
6
12 3
4
12 3
5
6
（2）rRNA 前体的加工
18S 内含子 5.8S 内含子 28S
rDNA
转录 (RNA pol I) 45S rRNA前体
剪接
18S rRNA 5.8S rRNA 28S rRNA
5S rRNA
（3）tRNA 前体的加工 DNA
RNA pol Ⅲ
tRNA前体
前 导 序 列
③ 分支点上的A向5’端 剪接点靠近。
④内含子与外显子在5’ 端剪接点处断开，断开 的内含子5’端与A相连， 形成套索状结构。
⑤5’端外显子的3’-OH 与3’端外显子的5’-PO4 结合，内含子3’剪切点 被切除。
⑥剪切体及套索结构脱 离，剪接过程结束。
• 剪切过程中需要ATP提供能量。
hnRNA的选择性剪接
前导链 (leading strand)
3
5 解链方向
3
RNA引物
后随链 (lagging strand)
5
• 前导链 (leading strand)：合成方向同复制叉推进 方向一致，连续合成。
• 后随链 (lagging strand)：合成方向同复制叉推进 方向相反，短片段、不连续合成。
原核细胞 – DNA 聚合酶 I、II、III 真核细胞 – DNA 聚合酶 α、β、δ、ε。
活性：1. 53 聚合活性 2. 53 核酸外切酶活性 3. 35 核酸外切酶活性 (DNA 聚合酶 I & DNA 聚合酶 δ)
• 连接酶：催化相邻 DNA 片段间的3百度文库- OH 与 5’- PO4 间形成磷酸二酯键，从而使 DNA 片段连接在一起。
D
非编码区
外显子(exon)和内含子(intron)
• 外显子 断裂基因上可编码蛋白质，表达为成熟RNA
的核酸序列。 • 内含子
在断裂基因中出现在外显子之间，在剪接过 程中被除去的核酸序列，不参与编码蛋白质。
1.原核细胞中转录后的加工 原核细胞的结构基因是连续的，不含内含子 。
• mRNA：不需剪切加工。 • tRNA：切除5’及3’端点附加序列，在3’端附加 CCA序列，对特定碱基进行化学修饰。 • rRNA：将 rRNA 前体剪切成5S、16S、23S rRNA。
RNA-pol
5
3
3
5
5´pppG
二、转录后的加工
DNA 分子上转录出 RNA 的区段，称为结构基因 (structural gene)。
• 真核细胞的结构基因一般是不连续的，称为断 裂基因（split gene），由编码蛋白质的序列和 非编码蛋白质的序列构成。
A
B
编码区 A、B、C、D
C
小分子 RNA：U1- U6 (small nuclear RNA, snRNA)
U1 snRNP、 U2 snRNP …… U6 snRNP
剪接过程
① U1 snRNP 结合 5’ 剪切位点；U2 snRNP 结合 分支点。
② U4、U5、U6 snRNP 以复合体形式结合于内 含子，形成剪接体。
促进转录延伸。
2.转录的延伸
原核细胞中： 转录起始后，亚基从全酶上脱落，核心酶沿模板 链移动，RNA链沿 5’ 3’方向延长。
真核细胞中： 转录延长过程与原核细胞大致相似， 转录因子 TF II E 与 TF II S 有促进延长的作用。
3.转录的终止 RNA 聚合酶在 DNA 模板上移动到终止位点，停 止作用，产物 RNA 链从模板上脱落。
• 原核细胞中RNA聚合酶结合启动子：
启动子识别部位
TATAATG ATATTAC
启动子结合部位 (Pribnow box)
转录起始因子亚基识别启动子识别部位，并介导RNA 聚合酶全酶结合于启动子结合部位，从而启动转录。
• 真核细胞中RNA聚合酶结合的启动子： 3 种RNA聚合酶分别识别各自的启动子序列。
转录方向
5
编码链
3
模板链
模板链
3
编码链
5
转录方向
复制和转录的区别
模板 原料 酶 产物
配对
复制
转录
两股链均复制 模板链转录（不对称转录）
dNTP
NTP
DNA 聚合酶
RNA聚合酶（RNA-pol）
子代双链DNA mRNA，tRNA，rRNA （ 半保留复制）
A-T，G-C
A-U，T-A，G-C
线粒体的H链是12种多肽链、 12S rRNA 、 16S rRNA 和 14 种 tRNA的转录模板，L链是1种多肽 链和8种tRNA转录的模板。
第四节 RNA的转录与加工
转录 (transcription)： 以DNA为模板合成RNA的过程 。
DNA
转 录
RNA
• DNA双链中作为转录模板的一股单链称为模板链 (template strand)，也称作反义链 (antisense strand)。相对的另一股互补单链，其碱基序列与 转录产物相同，称为编码链 (coding strand)，也 称为有义链。
复 制 中 的 不 连 续 片 段 称 为 岡 崎 片 段 (okazaki fragment)。
5、不同步性
不同复制子在复制时间上存在差异。 常染色质复制早于异染色质。
复
制
过
引物酶
程
简
图
三、环状双链DNA 复制3方、式
• 1、滚动复制：σ 复制 • λ 噬菌体增殖、真核生物rDNA扩增 • 2、θ -型复制 • 大肠杆菌DNA复制
种类 分布
I 核仁
产物
45S rRNA
对鹅膏蕈 不敏感 碱的反应
II 核基质
hnRNA 极敏感
III 核基质
5S rRNA、tRNA前体 中度敏感
启动子 (promoter) ：RNA聚合酶开始结合于模板 DNA 的部位。
注意区分： 启动子是模板 DNA 上最开始与 RNA 聚合酶结合的一段 DNA 序列； 转录的起始因子是RNA聚合酶上的一个蛋白质亚基 。
剪 接
切除 hnRNA中的内含子，拼接外显子。
剪接信号
互相识别 保证精确剪接
剪接体
• 内含子 5’端 的GC，3’端的AG —— 剪切位点
• 内含子3’端上游 UACUAAC 序列中的A ——分支点、交叉点
剪接体:
小分子核糖核蛋白颗粒 核内的蛋白质
（small nuclear ribonucleoprotein particle, snRNP）
RNA聚合酶 II 的启动子
-75 bp - 26 ~30 bp
------CAAT-----TATA
结构基因
与RNA聚合 酶结合，控 制转录起始 的频率。
转录起始点
TATA 框 CAAT 框
RNA聚合酶结合 部位，控制转录 起始的精确性。
真核细胞中RNA聚合酶与启动子的结合需要转录因子 参与。
转录因子 (transcription factor, TF)：转录过程中 与DNA特殊序列结合从而调控转录进程的蛋白质。
原核细胞中的转录终止
• 依赖ρ因子的转录终止 • 非依赖ρ 因子的转录终止
• 依赖ρ因子的转录终止 ρ因子识别 DNA 上终止序列并与之结合 当 RAN pol 移至终止位点，与ρ因子结合 RAN 链脱离模板，转录终止
• 非依赖ρ 因子的转录终止
DNA 模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列， 转录出 RNA 后，RNA 产物局部形成发夹结构， 引起转录终止。
2.真核细胞中转录后的加工 （1）mRNA 前体的加工
核不均一RNA（heterogeneous nuclear RNA, hnRNA）
戴帽 加尾 剪接
成熟的mRNA
戴 帽
在hnRNA 5’ 端加上帽子结构，即 7- 甲基鸟嘌呤核 苷- 5’- 三磷酸鸟苷 (m7GpppG……) 。 在hnRNA 合成到30个核苷酸时开始形成。