Chapter 10 Biosynthesis of nucleic acid
To resolve two problems,
1,核苷酸序列如何保证准确无误?
2,3?,5?-?二酯键如何形成?
模板 酶
RNA引物 ——— > DNA
dNTP
? DNA的合成 (复制 )
? DNA的损伤和修复
? RNA的合成 (转录 )
? RNA生物合成的抑制剂
? 逆转录作用
? 基因重组与 DNA CLONE
Chapter 10 Biosynthesis of nucleic acid
第一节 The biosynthesis of DNA
一,DNA半保留复制 (Semi-Conservative Replication)
? DNA的双螺旋模型 (Watson & Crick,1953)
? DNA复制方式的实验证据 (Meselson & Stahl,1958)
—— 同位素 15N标记 E,coli DNA
特点,
? SCR是双链 DNA进行复制的主要方式,是一种普遍的复制机制;
? 即使是单链 DNA,也要变成 双链 DNA,再进行 SCR;
? 双解链开 是复制的必要步骤;
? 模板 作用;
? 碱基配对 (新链形成 )—— 核酸分子间传递信息的基础。
一,DNA半保留复制 (Semi-Conservative Replication)
生物学意义,
? 亲代 DNA中始终有一条链保留在子代 DNA分子中
—— 遗传特性保持相对稳定 ?谚语? ?Any applications?
二、复制单位
1.复制子,在基因组中能独立进行复制的单位。
复制开始的某一固定位置 —— 起始点,是一含 100-200 bp的片段。
复制开始时,起始点分开形成叉 —— 复制叉 。
NB 可能没有复制终点。
第一节 The biosynthesis of DNA
二、复制单位
2,复制 方向,
? 大多数是 双向 进行的,形成两个复制叉。也有的是单向进行的。
? 通常为 对称 复制,也有不对称的。
3,原核 (包括真核细胞的线粒体、叶绿体 )DNA与 真核 DNA比较
? 复制起始点 1个 多个 (n× 103-n × 104)
? 单个复制子的移动速度 快 (105 bp/min) 慢 (5× 102-103 bp/min)
? 复制的总速度 慢 快
第一节 The biosynthesis of DNA
三、原核生物 DNA复制
(一 ),DNA聚合反应和聚合酶:
1,DNA的聚合反应
? 条件,
模板 DNA 酶
引物 RNA —————— > DNA
底物 (dNTP) Mg2+,Zn2+
? 反应机理,
形成 3?,5?-?二酯键;碱基配对形成氢键 <-- cf two problems
第一节 The biosynthesis of DNA
三、原核生物 DNA复制
(一 ),DNA聚合反应和聚合酶:
? DNA聚合反应 特点
除以上反应条件外,还有:
a,DNA新链 延长方向, 5??3?(模板链从 3??5? )— Key Point
b,新合成链与模板 链的性质相同 (与聚合酶来源无关 )— meaning?
第一节 The biosynthesis of DNA
三、原核生物 DNA复制
(一 ),DNA聚合反应和聚合酶:
2,DNA polymerase I (Kornberg et al,1956)
单一多肽链的多功能酶
功能:
a,具有 DNA 聚合酶活性 (5??3?)
b,3??5?核酸外切酶活性 (切除错配碱基,“校对”:单链核苷酸 )
c,5??3?核酸外切酶活性 (切除引物 RNA:针对双链核苷酸 )— 特有
第一节 The biosynthesis of DNA
三、原核生物 DNA复制
(一 ),DNA聚合反应和聚合酶:
3,DNA polymerase II (1970S)
单一多肽链,活性低 (仅为 DNA polymerase I的 5%)。
功能:
具有 3??5?核酸外切酶活性,无 5??3?核酸外切酶活性
可能与 DNA修复有关。
第一节 The biosynthesis of DNA
(一 ),DNA聚合反应和聚合酶:
4,DNA polymerase III (1970S)
寡聚酶,亚基间非共价结构,易分离开来 。
功能:
a,具有 5??3?DNA聚合酶活性,比 DNA polymerase I高。
相对活力,I:II:III=1:0.05:50
b.具有 3??5?核酸外切酶活性,无 5??3?核酸外切酶活性。
即 II,III均无切除引物的活性。
==>三种酶的 共同点,
均需模板; base pairing; 5??3?聚合;校对作用。 (表 10-2)
第一节 The biosynthesis of DNA
(二 ),DNA ligase
功能:作用于切口。
需要能量 (真核生物,ATP; 原核生物,NAD+)。
cf
切口, 相邻的 3?-OH与 5?-?在连接酶的作用下连接起来。
若 3?-?与 5?- OH,此酶不起作用。
缺口, 倘中间 缺少碱基,即使有 3?-OH与 5?-?,也不能连接起来。
第一节 The biosynthesis of DNA
(三 ),primase & primosome
引物酶,
dnaG基因编码的蛋白。 是 RNA聚合酶,合成 RNA(作为
DNA合成的 )引物。
DnaG蛋白与 辅助蛋白 组装成 引发体 。
第一节 The biosynthesis of DNA
(四 ),DNA helicase (解螺旋酶 )
rep基因编码的 rep蛋白。
? 催化 DNA双螺旋解链,提供单链 DNA模板 —— 复制和修复的前提。
? 每消耗 2ATP,解开 1 bp。其方向与复制叉一致。
SSB,(single-strand binding protein,单链结合蛋白 )
功能:
? 避免解开的链 恢复双螺旋 结构 —— 碱基暴露 的单链模板
? 避免遭受核酸酶 水解
? 降低 DNA的解链温度 (Tm值 )
第一节 The biosynthesis of DNA
(五 ),DNA半不连续复制:
DNA复制过程中一条模板链合成的新链是连续的,方向 5??3?,
另一条模板链的合成方向也是 5??3?,但合成的新链是不连续的。
1,先导 (leading)链,连续合成,有 1个引物 RNA。模板走向为 3??5?。
2,滞后 (lagging)链, 不 连续合成,有 多 个 RNA。模板走向为 5??3?。
Okazaki fragment,
滞后链上的较小的 DNA片段称 冈崎片段 (Okazaki,1968)。
原核生物 DNA复制过程:起始、延伸和终止 (p273-275,略 )
第一节 The biosynthesis of DNA
(六 ).原核生物 DNA复制过程,(p273-275,略讲 )
? 起始,
识别 起始点 ?结合,组成引发体 ?DNA双螺旋解开 ?合成 RNA引物
? 延伸,
?polymerase III结合上去 ?在 3?-OH后 合成新的 DNA链 ?模板走向为
3??5?,leading and lagging strand (Okazaki fragment)
? 终止,
复制叉到达终点 ter site?终止,由 DNA polymerase I 补上空缺 ?DNA
ligase连接封口。
第一节 The biosynthesis of DNA
四、真核生物 DNA复制:
许多方面与 E,coli相似。但也有不同。
真核生物 DNA聚合酶:
? 有 ?,?,?,?四种,均是 5??3?聚合酶。
?聚合酶 —— 染色体 DNA复制
?聚合酶 —— DNA修复
?聚合酶 —— 线粒体 DNA复制
? ?,?,?无 外切酶活性。 ?具 有 5??3?外切酶活性而 无 3?-->5?外切酶
活性。
? 这四种聚合酶 均无 核对作用。
第一节 The biosynthesis of DNA
四、真核生物 DNA复制:
比较 真核 原核细胞
DNA聚合酶 无外切酶活性 有
引物切除 RNA酶 DNA聚合酶 I
起始位点 多个 1个
引物 RNA 短 (10 bp) 长 (50-100 bp)
Okazaki片段 短 (100-200 bp) 长 (1000-2000 bp)
连接酶反应供能 ATP NAD+
共同点,
? 均为半保留复制;均沿 5??3?延伸;
? 复制既可单向进行,也可双向进行;
? 复制可以是半不连续,也可以是不连续的。
第一节 The biosynthesis of DNA
第二节 DNA的损伤与修复
一,DNA的突变,置换 (转换和颠换 )、插入、缺失 <略讲 >
二、紫外线 (UV)引起的 DNA损伤
DNA链上相邻的嘧啶碱基形成嘧啶二聚体 (dimer) ?不能配对 (与
互补链上的嘌呤形成氢键 )?影响 复制 和 基因表达
二,修复
光修复, 较强可见光激活光裂解酶,可与嘧啶二聚体 (如 T-T dimer)
结合并分开之。 —— 但哺乳动物等高等动物中 无 此酶
暗修复, 切除修复 _修复酶 识别损伤部位并切除,以另一条链为模板进行
修补
重组修复 _修复前可复制,但在受损部位留下缺口。 重组酶 使之
与完整的姊妹双链进行重组交换,以填补 子链 上的缺口。
第三节 DNA指导下的 RNA合成 (转录 )
一、转录的概念
Transcription,synthesis of RNA guided by DNA.
二、原核细胞转录
(一 )转录 (与复制比较 )的 特点,合成方向均为 5??3?
比较 转录 复制
底物 NTP(A,G,C,U) dNTP(A,G,C,T)
酶 RNA聚合酶 DNA聚合酶
模板 模板 DNA的 1条链 模板 DNA的 2条链
引物 无 (无核酸外切酶活性 ) 需要
核对作用 无 (碱基错配率较高 ) 有
第 1个产物 5?pppA或 5? pppG RNA引物,NTP
(A,G,C,U)
第三节 DNA指导下的 RNA合成 (转录 )
二、原核细胞转录
(二 )RNA聚合酶组与功能
全酶,?2????识别转录起始
其中,?是 起始因子,有 启动子 结合部位
?2???称为 核心酶,起 RNA合成的引发、链延长 (?)及辨认转录
终止 (??)的作用
第三节 DNA指导下的 RNA合成 (转录 )
二、原核细胞转录
(三 )转录过程
1,转录因子, 参与 RNA聚合酶进行转录活动的辅助因子,为蛋白质。
2.启动子, 指 RNA聚合酶 ?的识别、结合和开始转录的 一段 DNA。
在 RNA转录起点的 上游,约 40 bp。 —— TATA box
3.终止子, 提供转录停止信号的 DNA序列 (片段 )。
一般 含有回文顺序,转录到此会形成发夹结构。
终止因子 ?:有的终止子要 ?因子的帮助才能终止 RNA合成。
E,coli的 ?因子以六聚体形式存在,具有 DNA-RNA解螺旋酶和
ATPase活性。
第三节 DNA指导下的 RNA合成 (转录 )
二、原核细胞转录
(三 )转录过程
转录过程:
(RNA聚合酶全酶结合到 启动子 上 )转录起始 —— >
转录第一个 ATP或 GTP,?亚基解离 —— >
RNA链 延长 (转录鼓泡,含 12 bp的 DNA-RNA杂交螺旋 )—— >
(遇到 终止子 )转录终止,释放聚合酶和 RNA。
NB Hybrid?Any applications?
(a)RNA聚合酶与 DNA
模板链的结合 (b)转录起始
(c)RNA链的延长 (d)转录终止
模板链 合成方向
RNA链的延

RNA释放 聚合酶
脱离
Transcription
第三节 DNA指导下的 RNA合成 (转录 )
三、真核生物 mRNA合成
与原核生物 RNA合成不同之处:
? 转录产物有三种,mRNA,tRNA,rRNA 对 ?-鹅膏蕈碱反应
? RNA聚合酶有三种,I 转录 18S,5.8S,28S rRNA 不敏感
II 转录 hnRNA (mRNA前体 ) 强烈抑制
III 转录 tRNA,5S rRNA 高浓度时抑制
四、转录后加工 (略 )
原核生物,mRNA不需加工
真核生物:三种 RNA前体的转录后加工 (p284-285)
第四节 核酸生物合成的抑制剂
按照作用的 对象、性质 不同,分为 3种:
一、模板功能的抑制剂
嵌合剂 如 放线菌素 D (p 288)嵌入 dG-dC之间,EB为高灵敏度荧光试剂
烷化剂
二,RNA聚合酶的抑制剂
原核生物,利福平、曲张霉素
真核生物,?-鹅膏蕈碱
三、核苷酸合成抑制剂 (略 ),aa-、叶酸 -、碱基和核苷类似物
?Any applications?
第五节 逆转录作用
Reverse transcription,RNA ?DNA
以 RNA为模板,在逆转录酶作用下合成 DNA。此时合
成的 DNA称 cDNA (complementary DNA)。
逆转录酶是 多功能 酶:
? RNA指导的 DNA聚合酶活性
? DNA指导的 DNA聚合酶活性
? 核糖核酸酶 H活性 (属外切酶,水解模板链 RNA)
与一般的转录 不同 之处在于:
? 底物,dNTP cf NTP
? 需要引物 RNA cf 不需要引物
第六节 基因工程 (略 )
? PCR— Polymerase Chain Reaction
? DNA sequencing
第六节 基因工程 --补充
1,RNA的复制 —— 以 RNA为模板合成 RNA (略讲,p 286图 10-20)
(1963年从噬菌体中分离得到依赖于 RNA的 RNA聚合酶,需要专一的
RNA模板,对其它的 RNA不起作用。 )
故,病毒繁殖有两种类型:
RNA?RNA (replication)
RNA ?DNA(reverse transcription)?RNA(transcription)
2,人工合成核酸 —— 多核苷酸磷酸化酶 (不需要模板 )
将核苷二磷酸混合物或核苷二磷酸聚合成 RNA
nNDP———— > (NMP)n + nPi
Applications,?Poly I,Poly C,Poly I,C