大连理工大学生物化学课件--DNA复制与修复共60页
生物化学·DNA的复制和修复-PPT文档资料
（某些噬菌体DNA复制方式）
（线粒体DNA的复制 方式）
Байду номын сангаас成一次复制的时间：
细菌DNA复制叉移动速度：50 000bp/min 真核生物1000～3000bp/min 例：某细菌的染色体是环状的双链DNA分子，有 5.2×106个碱基对
三、原核生物DNA聚合反应有关的酶类
（一）DNA聚合酶(DNA polymetases) （二）引物酶(peimase)：启动RNA引 物链的合成。 (三） DNA连接酶（DNA ligase） p419（四）DNA的两条链解开后才能 作为模板，解开其双螺旋的结构是一 些酶和蛋白共同作用的结果，目前已 知的解旋、解链酶共3种，包括拓扑异 构酶(topoisomerase)、DNA解链酶 (DNA helicase)、DNA单链结合蛋白 (single-strand binding protein, SSB)。
反转录(reverse transcription)：
以RNA为模板将遗传信息 传给DNA的过程。
目
录
第一节 DNA的复制（DNA指导下的DNA合成） 第二节 DNA的损伤与修复
第三节 DNA突变
第一节 DNA的半保留复制
一、概念和实验依据
二、DNA复制的起始点和方式
三、 DNA聚合反应有关的酶类
DNA的半保留复制实验依据
1958年Meselson & stahl用同位素示踪标记和密度梯度 离心技术实验,证明了DNA是采取半保留的方式进行复制:
将E.Coli培养在以15NH4Cl为唯一氮源的培养基中生长； 提取其DNA；进行氯化铯密度梯度离心。再移至14N培养基 中生长、提取DNA、离心分析。
第十四章 DNA的复制和修复
DNA的复制、修复和重组
非细菌重组所必需 噬菌体编码
• 整合宿主因子（integration host factor，IHF）
宿主编码
• Xis蛋白：改变DNA结构，使其对整合呈惰性
参与切除反应
DNA的复制、修复和重组
DNA的复制、修复和重组
交错7bp切开DNA
DNA的复制、修复和重组
DNA的复制、修复和重组
DNA的复制、修复和重组
DNA的复制、修复和重组
（一）细菌的转座因子
1、插入序列（Insertion Sequence，IS） ——是简单转座模序 只编码起始自己转座的蛋白 转座频率各异
结构特点： 两侧末端为倒转重复序列（inverted repeats） 旁侧为宿主DNA短正向重复序列
DNA的复制、修复和重组
2、转座子 ——带有编码转座功能酶的基因 及抗性（或其他标记）基因
烈性噬菌体
DNA的复制、修复和重组
温和噬菌体
DNA的复制、修复和重组
普遍性转导（generalized transduction）
DNA的复制、修复和重组
• 完全的复制、修复和重组
局限性转导（restricted transduction）
• 特异性转导
• 溶原期时噬菌体DNA整合在细菌染色体特定部位， 噬菌体DNA发生偏差分离，将自身一段DNA留在细菌 染色体上，而带走了细菌DNA上的基因。
DNA的复制、修复和重组
F因子
• 化学本质是DNA • 以自主状态存在
或整合到细菌的染色体上 • 可在细菌细胞间转移并传递遗传物质
DNA的复制、修复和重组
5’
DNA的复制、修复和重组
性导(sexduction)与F΄因子
《DNA的修复》PPT课件
• DNA分子中一旦产生了 AP位点，AP核酸内切酶 就会切开Ap位点附近的磷 酸二酯键，并移去包括AP 位点核苷酸在内的小片段 DNA。
整理ppt
20
整理ppt
21
Base Excision Repair
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22
---TAGC-----ATCG---
---TAGC--AU CG
---TAGC-----ATCG---
45
回复突变
回复突变：
基因第二次突变时，在第一次突变位点上 恢复成原来碱基的现象。这种几率在自然界很 小。
A--------a
a-------------A
习惯上说的“回复突变”，确切地说是
“校正突变”。
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基因校正
基因的第二个位点突变，来 抑制第一个位点突变的表现型 效应。使第二次表现型恢复为 野生型、或成为有活性的突变 体。
• Causes of Mutations
– Spontaneous Replication Errors – Spontaneous Chemical Changes – Chemically Induced Mutations – Radiation
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8
化学因素： 常见的化学诱变剂
化合物类别
CC
CC
相邻的胸腺嘧啶
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13
光复活(photoreactivation)
可见光存在的条件下，在光复活酶作用下将UV引起嘧啶二 聚体分解为单体的过程。
过程 ①光复活酶与T=T结合形成复合物; ②复合物吸收可见光切断T=T之间的C-C共价键,使二
聚体变成单体; ③光复活酶从DNA链解离。
《DNA的复制和修复》幻灯片
〔二〕真核生物DNA复制过程
1. 真核与原核生物在复制过程上的一样之处： -半不连续复制； -具有相似的起始、延伸等过程。
致癌RNA病毒是一大群能引起鸟类、哺乳类等动物白血病和 肉瘤以及其它肿瘤的病毒。这类病毒侵染细胞后并不引起细 胞死亡，却可以使细胞发生恶性转化。
1975年，获 诺贝尔生理医 学奖。
〔二〕逆转录酶的性质
• 数目：70个/ 病毒粒 子• 结构：含、两个亚基
• 活性：
以4种dNTP为底物
RNA指导的DNA聚合酶活力 需要有模板和引物
pol催化合成引物和 寡聚脱氧核苷酸
两个pol分别催化前导 链和滞后链的合成
〔三〕端粒及端粒的合成
1. 端粒（telomere）
真核生物线性染色体末端的特殊结构，由 许多成串短的重复顺序组成，具有稳定染色体 末端结构的功能。
四膜虫 TTGGGG(仅列一条链的序列)
人
TTAGGG
2. 端粒酶（telomerase）
1
2
2
3’→5’ 外切酶
-
-
+
+
引物合成酶
+
-
-
-Hale Waihona Puke 持续合成能力 中等低
高
有PCNA时高
准确性
高
低
高
高
功能
引物合成 修复
线粒体DNA 合成
核DNA合成
ε （II） 细胞核
大连理工大学生物化学课件--DNA复制与修复共62页
1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
大连理工大学生物化学课件--DNA复 制与修复
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯
生物化学34 DNA的复制和修复(课堂PPT)
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DNA复制的主要方式
➢ 大肠杆菌双链环状DNA的复制（一个复制起点， 双向复制） ➢ 真核细胞线状染色体DNA的复制方式（多个复制起 点，双向复制） ➢ 单向滚环式复制（噬菌体X174DNA—单链环状）
3 ➢ 不同位置D-环式复制方式（线粒体双链环状DNA： 两条链的复制起点不同位置，且复制不同步） 22
➢ 1968日本学者冈崎：
同位素实验，用含3H的dT标记用T4噬菌体感染的大肠 杆菌 短时间内分离的DNA均为DNA小片段一段时 间后检测到 DNA大片段。当用DNA连接酶的缺失的 变异株时，检测到大量DNA片段的积累。→证明DNA 复制中有小片段合成。
测定DNA小片段，远远大于合成DNA的一半。似乎 两条链都是不连续合成的，后发现是由于U替代dT渗入 DNA中，而被尿嘧啶-N-糖基酶切除所致。
（3）还具有5 3’外切酶活性（双链有效）；
该酶缺失时大肠杆菌仍具有DNA合成酶活性，只是对
DNA损伤的修复能力下降，容易导致变异和死亡。推测
该酶主要是对DNA损伤的修复，以及在DNA复制时
RNA引物切除及其缺口的填补。
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DNA聚合酶催化的反应：
33
DNA聚合酶Ⅰ的功 能
ⅠLeabharlann 34[1]聚合作用41
DNA聚合酶Ⅲ全酶的亚基组成
亚基 相对分 亚基 子量 数目
α 132000 2 ε 27000 2 θ 10000 2 τ 71000 2 γ 52000 2 δ 35000 1
"for their discovery of the mechanisms in the biological synthesis of ribonucleic acid and deoxyribonucleic acid" 30
大连理工大学生物化学课件--DNA复制与修复
C
A
复制中的大肠杆菌染色体放 射自显影图 (Caims实验)
B
C
A
8
2、有一定的复制起点
基因组能独立进行复制的单位，称为复制子（replicon）。 每个复制子都含有控制复制的起点（origin），可能还有复制终 点（terminus）。DNA的复制是在起始阶段进行控制的，一旦复 制开始，就延续到完成复制为止。原核生物中的复制起始点通常 为一个，而真核生物中为多个。 大肠杆菌的复制起点（ori C），由245bp构成，关键序列在 于三个13bp的序列和四个9bp的序列。
磷酸二酯键，使两段DNA
连接起来。
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四、DNA复制的过程
作 用 顺 序
DNA复制酶系
33
大肠杆菌的DNA复制 1. 复制的起始 ① DNA复制起始位点：大肠杆菌的复制起点由245bp构成，其 中有3个13bp和4个9bp的关键序列
成串排列的三个13bp序列 DnaA蛋白结合位点四个9bp序列
共有序列 GATCTNTTNTTT DnaA DnaB DnaC HU类组蛋白 识别起始序列，解开双链 解开DNA双链 帮助DnaB结合于起点处 使DNA弯曲，刺激复制的引发
传 信 息 的 载 体 ， 继 1953 年
Watson & Crick提出DNA双螺 旋 结 构 模 型 后 ， 1958 年 Crick 提出了“中心法则”（Central dogma）揭示了遗传信息的传 递规律。
3
遗传信息以密码的形式储存在DNA分子上，表现为特定的 核苷酸排列顺序。
在细胞分裂过程中，通过DNA的复制把亲代细胞的遗传信 息传递给两个子代细胞。在子代细胞的生长发育过程中，这些 遗传信息通过转录传递给RNA，再由RNA翻译转变成相应的蛋
第十四章DNA的复制与修复ppt课件
〔1〕5′→3′聚协作用 〔2〕3′→5′核酸外切酶的活性 〔3〕5′→3′核酸外切酶的活性 〔4〕焦磷酸解作用 〔5〕焦磷酸基交换的作用
因此它属于一种多功能酶
〔1〕5′→3′聚协作用： DNA pol I 不能“从无到有〞，只能从已有的
多核苷酸链的3′-OH端延伸DNA链，也就是说必需 求有Primer, primer多数情况下是RNA，少数情况 下是DNA，Primer必需求有一个游离的3′-OH。
模板〔DNA〕，引物〔RNA，DNA〕 DNA聚合酶
DNA ＋ 4nPPi
DNA聚合酶的作用机理
在大肠杆菌中至少发现了五种DNA polymerase，分 别是DNA polymerase I、II、III、IV和V，其中 Polymerase I发现最早〔1956年〕，而polymerase IV 和V直到2019年才发现。
4. 引发
合成RNA引物的过程称引发，引发是一个非常 复杂的过程。 Preprimosome预引发体或称前引发体
primosome引发体 priming引发
〔a〕大约20个DnaA蛋白各带1个ATP结合到4个9bp的反 复序列上，DNA缠绕在上面，构成起始复合物〔initial complex〕。
第十四章 DNA的复制与修复
主要内容：
DNA的复制、反转录以及DNA损伤的修复
一、DNA的复制
〔一〕DNA的半保管复制〔semicoservative replication〕
1958年Meselson和Stahl用同位素示踪和密度梯度 离心的方法证明了DNA的半保管复制
〔二〕与DNA复制有关的酶和蛋白质
5. DNA复制叉的构造和链的延伸
DNA复制时，DNA双螺旋的解开靠helicase〔解 螺旋酶〕、SS-B 、 Top II〔i.e DNA gyrase), RNA引 物合成后，DNA pol III与复制叉结合，构成复制体 〔replisome〕的构造，而启动DNA的合成。
生物化学-第十二章-DNA复制与修复.
生物化学第十二章DNA的复制和修复Chapter12The and repairreplication of DNA第一节第节DNA的复制DNA DNA 的复制以dNTP 为原料，通过水解焦磷酸键(PPi)作为驱动的半保留复制力，按照5’→3’方向(在3’末端进行延伸)和碱基互补配对原则进行；DNA的半保留复制：在DNA复制过程中，每个子代DNA分子中的一条链来自于亲代DNA，另一条链则是新合成的，这种DNA 条链来自亲代另条链则是新合成的这种的复制方式称为DNA的半保留复制(semi-conservativereplication)DNA的复制方式双链DNA在复制起始阶段，首先应该打开亲代DNA双链之间配对的碱基，以形成局部单链，并且以每条单链分别作为模板(模对的碱基以形成局部单链板链)指导合成新的互补链(子代链)；上述控制复制起始的特定区域(形成的单链区域)称为复制起始位点(origins of replication;ori)，复制起始位点的序列一般富含AT；由双链解离形成单链的区域如同形称为复制叉Y形，称为复制叉，随着复制的进行，亲代DNA双链不断打开，DNA复制叉也随之移动；控制复制终止的序列称为复制终点；复制子(li)(replicon)：基因组上能够独立完成复制的单位(区域)，不仅含有复制起始位点，同时也包括复制终点原核生物DNA复制方式真核生物DNA复制方式DNA的半不连续复制DNA的双螺旋结构是反向平行的，即亲代DNA双链中，一条模板链的走向是3→ 5，另外条模板链的走向是5→ 3；3’5’另外一条模板链的走向是5’3’但是，聚合酶合成的方向只能是53方向，即只DNA DNA5’ → 3’有3’ → 5’走向的模板链可以指导子代链连续复制，那么5’ →3’走向的模板链如何指导子代链复制？如何指导子代链复制因此，在DNA的复制过程中，两条新链的合成方式是不同的，其中一条链按照5’ → 3’方向连续合成，另外一条链首先按照5’ → 3’方向合成许多不连续的DNA片段，这些片段被称为冈崎片段(Okazaki fragment)，最后连接成一条完整的DNA链，即 DNA的半不连续复制(semidiscontinuous replication)；前导链(leading strand)：亲代DNA分子中，一条模板链是3’→ 5’走向，在这条链上，子代DNA链能以5’ → 3’方向连续合成，称为前导链；滞后链(lagging strand)：亲代DNA分子中，另一条模板链是5’→ 3’走向，在这条链上，子代DNA链虽然仍然以5’ → 3’方向合成，但是与复制叉移动方向相反，并且首先合成出许多不连 续的片段，最后连接成一条完整的DNA链，称为滞后链；此外，无论是前导链还是滞后链，DNA链的合成不能直接进行， 而需要首先合成一段RNA引物(primer，长度大约几个核苷酸 到十多个核苷酸)，然后DNA聚合酶 III(DNA Pol III )再从 RNA引物的3’-OH端开始合成新的DNA；合成RNA引物的酶称为引物合成酶(primase)；RNA引物最终可由RNase H去除，并有DNA Pol I 填补缺口模板复制方式 是否产生冈崎片段 合成起始方式 合成方向前导链3’ → 5’连续复制 否RNA引物5’ → 3’滞后链5’ → 3’不连续复制 是RNA引物5’ → 3’差别 共同点参与DNA复制的蛋白因子DNA解旋酶(helicase)：在DNA复制过程中，通过水解ATP释 放能量，解开亲代DNA双链，形成单链结构，从而推动复制叉 前进；单链结合蛋白(single-strand DNA binding protein SSB)：选 择性结合并覆盖在单链DNA上，但是不结合双链DNA的一类 蛋白，在DNA复制过程中起到稳定解开的双链，防止其被水解 或重新结合形成双链的作用，一旦DNA双链被解开形成单链， SSB就会与之结合并使其稳定，而当DNA重新形成单链时， SSB就会被替代并脱离DNA分子DNA helicases unwind the double helix in advance of the replication fork¾ Cooperative binding ¾ Sequence-independent manner(electrostatic interactions)DNA聚合酶FingersThumbDNA Pol holoenzyme DNA Pol holoenzymeDNA拓扑异构酶Topoisomerase removes the positive supercoils produced by DNA unwinding at the replication forkDNA复制的基本过程E.coli细胞中，DNA可分为三个阶段：起始、延伸和终止在复制叉上分布着参与DNA复制的各种酶和蛋白因子，它们共复制的各种酶和蛋白因子它们共同构成了复制体(replisome)，DNA复制阶段的改变表现在其复制体结构的变化复制起始阶段在复制起始阶段，由DnaA、DnaB(解旋酶)、DnaC、DnaG(引物酶)、拓扑异构酶II、HU(类组蛋白)、SSB和RNA聚合酶组成的起始复合体，与基因组上DNA复制起点(ori)相结合，启动DNA的复制复制的延伸和滞后链的延伸都是按照5→3方向合成，但是在合前导链5’3’方向合成但是在合成方式上有很大的不同前导链的延伸：先由引物合成酶(Dna G)在复制起点上加上一段RNA引物，随后DNA Pol III在引物3’端加上dNTP，然后持随后P l然后续进行延伸，并且与复制叉移动保持同步；滞后链合成是分段进行的，需要不断合成冈崎片段和引物，这就需要DNA Pol III不断与模板脱离，然后又在新的位置与模板结合复制的终止E.coli含有6个终止子位点，每个终止子含有约22个bp，与终止子结合的蛋白称为Tus蛋白；结合后的Tus-ter复合物只能够阻止一个方向的复制叉前移，Tus ter只能够阻止个方向的复制叉前移这样就可避免双向复制中发生过量复制的问题；两个复制叉之间最后未完成复制的部位最终通过修复方式填补空缺，此时两个子代环状DNA分子相互缠绕，形成连锁体，该连锁体最终需要拓扑异构酶分开II第二节逆转录逆转录酶：以RNA 为模板，四种dNTP 为原料，按照碱基互补配模照碱对原则，合成互补DNA 链，即cDNA (complementary DNA)第三节DNA的损伤与修复DNA的损伤引起DNA损伤的因素：11.生物因素：复制过程中的错配2.物理因素：紫外线照射等；3.化学因素：化学诱变剂，如亚硝酸盐引起DNA损伤的类型：类型1.点突变(point mutation)；2.缺失(deletion)；3.插入(insertion)；4.重排(rearrangement)DNA的修复错配修复错配修复：在DNA复制过程中可能会发生错配(mismatch)，如果模板链被修复，突变就会被固定，因此，修复系统需要区分模板链和新生链；Dam甲基化酶可使模板链上的GATC序列中的腺嘌呤甲基化，一旦发现错配，即通过核酸内切酶将未甲基化的新生链部分切旦发现错配除，并以甲基化的链为模板指导新链的重新合成直接修复胸腺嘧啶二聚体的形成：紫外照射会使相邻的胸腺嘧啶形成胸腺嘧啶二聚体，两者以共价键相连，影响DNA的双螺旋结构腺嘧啶二聚体两者以共价键相连影响和功能；光修复：通过可见光进行照射，启动光复活酶分解紫外照射形成的胸腺嘧啶二聚体；暗修复：哺乳动物通过核酸内切酶切除产生胸腺嘧啶二聚体的暗修复切除产生胸腺嘧啶聚体的核苷酸实现修复切除修复在一系列酶的作用下，通过核酸内切酶将DNA受损部分切除，并以完整的链作为模板，通过DNA Pol I将dNTP 加到切口3’端，并通过DNA连接酶连接切口端并通过着色性干皮病病人缺乏核酸内切酶，正常的胸腺嘧啶二聚体的切除修复机制不能进行，当皮肤受到紫外线照射时，DNA损伤不能修复，易患皮肤癌单核苷酸多态性单核苷酸多态性(Single-nucleotide polymorphism,SNP)是指：在基因组水平上，由单个核苷酸的变异引起的DNA 序列多态性。