,DNA的生物合成,DNA复制的机制 DNA复制的有关物质 DNA的复制过程 反转录作用 DNA的损伤与修复,第一节 DNA的复制,一、DNA复制的机制,(一). DNA半保留复制,1. DNA半保留复制的概念,当细胞分裂时，DNA的双链拆开并分为两股单链，各自作为模板，用以合成新的互补链。在两个子细胞中新合成的DNA双链，都和母细胞的DNA双链的碱基序列完成一样，其中一条链来自亲代，另一条链为新合成的。遗传信息就这样高度准确地从亲代传给子代。这种复制方式称为半保留复制,DNA半保留复制的实验依据： 1958年 Meselson & Stahl E.coli 放射性同位素（15N）标记 CsCl密度梯度离心,3. 半保留复制的证明,2. 半保留复制的时期,(二). DNA半不连续复制,子代DNA中的一条链的合成是连续的，另一条链的合成是不连续的，DNA的这种复制方式称为半不连续复制。 1968年，冈崎的著名实验观察到DNA复制过程中，有一些不连续片段，称为冈崎片段。 原核生物中冈崎片段约含10002000个核苷酸，真核生物约为400个核苷酸， 新DNA的一条链是按5，3，方向（与复制叉移动的方向一致）连续合成，称为“前导链”；另一条链的合成是不连续的，即先按5，3，方向（与复制叉移动的方向相反）合成冈崎片段，再连接成一条完整的链，称为滞后链。,二. DNA复制的有关物质,(一).DNA聚合酶(DDDP),1. DNA聚合酶的性质:,模板: ssDNA 引物: RNA 底物： 四种dNTP 辅助因子：Mg2 合成方向：5-3方向延伸,2. 原核生物DNA聚合酶,3.真核生物DNA聚合酶,(二).DNA连接酶,动物细胞和某些噬菌体连接酶-T4连接酶（以ATP为能量） 大肠杆菌DNA连接酶（以NAD+为能量）,3.作用方式,该酶可将DNA中单链缺口上相邻的两个核苷酸， 以磷酸二酯键连接起来。 需要能量 需要镁离子,1. DNA连接酶的种类,2. DNA连接酶的特性,(三).解螺旋酶,(四).拓扑异构酶,拓朴异构酶(Topo )：其作用是使双链DNA中的一股切断，使链的末端沿着螺旋轴按双螺旋反方向旋转，超螺旋消除后再将切口封闭。 DNA变为松弛态。催化反应不需ATP。 拓朴异构酶(Topo )：又称DNA旋转酶。 作用方式： （1）是在水解ATP的同时能迅速使DAN双链断开又接上，而使松弛态的DNA转变为超螺旋状态，引入负超螺旋。 （2）在没有ATP时，它又可使负超螺旋DNA变为松弛态。,解链酶（或称解螺旋酶）: 此酶通过水解ATP以获得能量去松开双股DNA，每解开一对核苷酸需水解2分子ATP。 复制时大部他DNA解链酶可以沿着滞后链模板的5，3，方向随着复制叉的前进而移动，以解开双链。,(五).单链结合蛋白,(六).引物酶与RNA引物（primase 与primer）,单链DNA结合蛋白（SSB） 它与单链DNA结合。 防止两条单链DNA重新形成双螺旋。 保护单链DNA不被核酸酶水解。,RNA引物和引物酶: 多数情况下是以RNA片段为引物，由引物酶催化合成。引物酶是一种不同于催化转录过程的RNA聚合酶。引物酶通常需要和几种蛋白质因子结合形成引发体才能发挥作用。例如大肠杆菌的dna蛋白能协助引物酶识别起始位点，并与起始部位结合。,RNA引物的长度是不同的，在动物细胞中引物长度约10个核苷酸，第一个核苷酸常用ATP。细菌的引物为50100个核苷酸，但也有仅24个核苷酸的。 真核生物引物为10个核苷酸左右。,三、DNA的复制过程,高级结构的解除,1.4 DNA聚合酶的引物(primer) DNA复制为什么需要引物？ DNA聚合酶只能催化dNTP到已有核酸链的游离3-OH上，而不能从游离核苷酸起始DNA链的合成。 DNA聚合酶需要引物来提供3-OH末端，然后在其上加入核苷酸来延伸DNA链。,复制叉（Replication fork）：染色体中参与复制的活性区域，即复制正在发生的位点。,复制眼（replication eye）：电子显微镜下观察正在复制的DNA，复制的区域形如一只眼睛。,2 DNA连接酶（ DNA Ligase ）,1967年，世界上数个实验室几乎同时发现该酶。 2.1 基本性质：能将两段DNA拼接起来的酶，催化DNA相邻的5磷酸基团和3羟基末断之间形成磷酸二酯键，封闭DNA单链缺口。,基因表达调控,基因表达：基因通过转录和翻译，产生蛋白质产物和直接转录RNA参与生物功能的过程。 基因调控：涉及基因的启动关闭，活性的增加或减弱。发生在转录阶段，转录后加工阶段和翻译阶段。 负调控：阻遏蛋白结合在受控基因上时不表达，不结合时就表达的形式。 正调控：基因表达的活化物结合在受控基因上时，激活基因表达，不结合时就不表达的形式。,有关名词解释：,一 、原核生物基因表达的调控,大肠杆菌一般是将葡萄糖作为碳源，当其生活的环境中有乳糖而没有葡萄糖时，大肠杆菌产生的适应性变化是迅速合成大量的分解乳糖的酶-半乳糖苷酶，将乳糖分解成葡萄糖和半乳糖加以利用。,当大肠杆菌生活的环境中没有乳糖后，半乳糖苷酶的合成就停止。说明半乳糖苷酶的合成与周围环境中有无乳糖有密切关系。乳糖似乎对半乳糖苷酶基因的表达起到诱导作用。半乳糖苷酶的合成受半乳糖苷酶基因控制。,(一) 大肠杆菌的乳糖操纵子模型,1）结构基因：编码蛋白质或RNA的基因 直接编码乳糖分解代谢所需酶类的基因。 lacZ基因：编码-半乳糖苷酶。 lacY基因、lacA基因：分别编码-半乳糖苷透性酶和-半乳糖苷乙酰基转移酶。,一 、原核生物基因表达的调控,1.与乳糖代谢有关的核苷酸序列及其作用,2）操纵基因(O)：是DNA上仅为26bp的一小段序列，不编码蛋白质，它是调节基因所编码的阻遏蛋白的结合部位。操纵基因决定了RNA聚合酶是否能够与DNA序列上的启动子接触从而沿着DNA分子移动，启动RNA的转录。对结构基因起着“开关”的作用，直接控制结构基因的转录。,一 、原核生物基因表达的调控,1.与乳糖代谢有关的核苷酸序列及其作用,3）启动子(P)：有与RNA聚合酶结合的位点，可识别转录起始点。RNA聚合酶在这一位点与DNA接触，并开始进行转录。,一 、原核生物基因表达的调控,1.与乳糖代谢有关的核苷酸序列及其作用,4）调节基因(R)： 能产生阻抑物(阻遏蛋白)，通过阻抑物与操纵基因的结合与否来控制操纵基因的关闭和开启。,一 、原核生物基因表达的调控,1.与乳糖代谢有关的核苷酸序列及其作用,当环境中没有乳糖时：,信使RNA,阻遏物(阻遏蛋白),阻遏蛋白与操纵基因结合，同时阻挡了RNA聚合酶与启动子的结合，从而使结构基因转录和翻译受阻，不能合成有关的酶。,一 、原核生物基因表达的调控,当环境中有乳糖时：,+,阻遏物 (阻遏蛋白),乳糖,乳糖与阻遏蛋白结合，引起其构象变化，使阻抑物失去与操纵基因结合的能力，RNA聚合酶便可与启动子结合，从而使结构基因转录和翻译正常进行。,一 、原核生物基因表达的调控,当环境中有乳糖时：,半乳糖苷酶,酶,酶,转录,翻译,分解乳糖,一 、原核生物基因表达的调控,一个操纵基因控制下的一组相邻的结构基因以及启动子和调节基因，统称为操纵子。,操纵子,操纵子是原核生物的基因在转录水平上进行调控的一个功能单位。,一 、原核生物基因表达的调控,从大肠杆菌乳糖调控过程可以看出,大肠杆菌细胞只有在环境中有乳糖存在时，才能产生相关的酶。所以，其乳糖代谢调控过程是一个自我调控过程。 在这一过程的作用下，生物体才不会浪费细胞中的物质和能量，并能不断适应变化的外界环境。,一 、原核生物基因表达的调控,(二) 色氨酸操纵子 1.阻遏物对色氨酸操纵子的负调控 调控基因 结构基因 催化分支酸转变为色氨酸 的酶,trpR,trp,一 、原核生物基因表达的调控,二、真核生物基因表达的调控,真核生物是由多细胞组成的，多细胞生物的细胞分化，是选择性基因表达的结果。不同的细胞有特异的基因表达方式。基因的表达受到开启或关闭的调控，随细胞内外环境条件的改变和时间程序而在不同的表达水平上进行着精确而有序的调节。,在真核生物中基因表达的调节其特点是（1）多层次，（2）无操纵子和衰减子(在色氨酸操纵子中存在一种转录水平上调节基因表达的衰减作用，用以终止和减弱转录。这种调节作用称为衰减子)（3）个体发育复杂，（4）受环境影响较小,在真核生物中，DNA的三级超螺旋结构与蛋白质结合，构成染色质的基本单位-核小体。其核心由组蛋白八聚体(由H2A、H2B、H3、H4各两分子组成)和盘绕其上的一段DNA双链组成，连接区 含有组蛋白H1和一小段DNA 双链。核小体彼此连成串珠 状染色质细丝，经高度螺旋 化形成染色质纤维，进一步 卷曲、折叠成染色单体。这 样，DNA的长度被压缩近万 倍。核小体可能通过阻止转 录酶接近DNA分子的方式起 到了调节基因表达的作用。,二、真核生物基因表达的调控,1.DNA的包装影响基因的表达,多线染色体来源于核内有丝分裂，即核内DNA多次复制产生子染色体并行排列，且体细胞内同源染色体配对，紧密地结合在一起，从而阻止了染色质纤维的进一步聚缩，形成体积很大的多线染色体。,光镜下观察多线染色体，可见一系列交替分布的带和间带，带区的染色质包装程度比间带染色质包装程度高得多，所以呈带色较深间带较浅的染色。多线染色体上的数目、形态、大小及分布位置都很稳定。,果蝇幼虫唾液腺多线染色体,二、真核生物基因表达的调控,1.DNA的包装影响基因的表达,个体发育的某个阶段，多线染色体的某些区段变得疏松膨大而形成胀泡。最大的胀泡叫Balbiani环。胀泡是基因活跃转录的形态学标志。控制果蝇多线染色体基因转录的主要因素之一就是蜕皮激素，这种激素水平在幼虫发育期间周期性变化，从而诱导那些编码每次蜕皮和蛹化所需的蛋白质转录。,多线染色体的带与胀泡,(a) 带与间带;(b)胀泡,二、真核生物基因表达的调控,1.DNA的包装影响基因的表达,2.异染色质化与基因的表达失活 在染色质中可分为常染色质和异染色质，它们在细胞中凝聚的时期不同。异染色质是包装成20-30nm，不具有转录活性的染色质。它又分为组成性异染色质和兼性异染色质。前者是指在各种细胞中，在整个细胞周期内都处于凝聚状态的染色质，如着丝粒，端粒等。后者指在某些特定的细胞中，或在一定的发育时期和生理条件下凝聚，由常染色质变成异染色质，这本身也是真核生物的一种表达调控的途经。,二、真核生物基因表达的调控,在正常女性的细胞核核膜附近有一团高度凝聚的染色质小体与性别及X染色体的数目有关，称为性染色质体又名巴氏小体，在正常男性的细胞核中都没有。正常的女性个体中有XX染色体，而它们的体细胞中有一个巴氏小体。在正常男 性个体中有XY染色体， 没有巴氏小体。在带有 多条X染色体的个体， 只有一条X染色体是有 活性的。巴氏小体的数 目为X染色体的条数减1。,图18-25 巴氏小体 (a) 正常女人的细胞，在核膜附近存在巴氏小体(箭头所指)；(b ) 正常男人的细胞，在核膜附近无巴氏小体(转引自Russell,1992),二、真核生物基因表达的调控,2.异染色质化与基因的表达失活,1961年提出了莱昂假说，其主要论点是：巴尔小体是一个失活的X染色体，失活的过程就称为莱昂化；在哺乳动物中，雌雄个体细胞中的两个X染色体中有一个X染色体在受精后的第16天（受精卵增殖到5000-6000，植入子宫壁时）失活；两条X染色体中哪一条失活是随机的；X染色体失活后，在细胞继续分裂形成的克隆中，此条染色体都是失活的；生殖细胞形成时失活的X染色体可得到恢复。,二、真核生物基因表达的调控,2.异染色质化与基因的表达失活,实例：三色猫（又叫做玳瑁猫）的雌性个体腹部的毛是白色