现代分子生物学-DNA.ppt

现代分子生物学现代分子生物学Current Molecular Current Molecular BiologyBiology 章晓波章晓波 浙江大学生命科学学院浙江大学生命科学学院考查：考查：撰写撰写1 1篇分子生物学相关文献综述篇分子生物学相关文献综述write a review paper related to write a review paper related to molecular biologymolecular biologyDNADNA研究进展研究进展-简介简介Progress in DNA Progress in DNA researchresearch一、表观遗传学一、表观遗传学二、二、DNADNA修复修复三、基因序列多样性三、基因序列多样性表观遗传学（表观遗传学（epigenomicsepigenomics）：基因序列不改变，可遗传的表型变化）：基因序列不改变，可遗传的表型变化一、表观遗传学一、表观遗传学 epigenomics epigenomics染色质重塑复合物：依靠水解染色质重塑复合物：依靠水解ATPATP提供能量来完成染色质结构的改变，提供能量来完成染色质结构的改变，根据水解根据水解ATPATP的亚基不同，可将复合物分为的亚基不同，可将复合物分为SWI/SNFSWI/SNF复合物、复合物、ISWISW 复合物以及其它类型的复合物。这些复合物及相关的蛋白均与转复合物以及其它类型的复合物。这些复合物及相关的蛋白均与转 录的激活和抑制、录的激活和抑制、DNADNA的甲基化、的甲基化、DNADNA修复及细胞周期相关。修复及细胞周期相关。DNADNA甲基化（甲基化（DNA methylation）：）：在在DNADNA甲基化转移酶的作用下，主要是基因组甲基化转移酶的作用下，主要是基因组CpGCpG二核苷二核苷 酸的胞嘧啶酸的胞嘧啶5 5碳位共价键结合一个甲基基团碳位共价键结合一个甲基基团DNADNA复制相关复制相关-组蛋白修饰组蛋白修饰(DNA replication-histone)(DNA replication-histone)乙酰化、去乙酰化（乙酰化、去乙酰化（acelation/deacelationacelation/deacelation）：乙酰化转移酶）：乙酰化转移酶(HATs)(HATs)主要在组蛋白主要在组蛋白H3H3、H4H4的的N N端尾上的赖氨酸加上乙酰基，去乙酰化端尾上的赖氨酸加上乙酰基，去乙酰化 酶酶(HDACs)(HDACs)相反相反磷酸化、去磷酸化（磷酸化、去磷酸化（phosporylation/dephosporylationphosporylation/dephosporylation）甲基化（甲基化（methylationmethylation）：组蛋白甲基化主要发生在）：组蛋白甲基化主要发生在H3H3和和H4H4组蛋白组蛋白N N端端 Arg Arg或或LysLys残基上，功能主要体现在异染色质形成、基因印记、残基上，功能主要体现在异染色质形成、基因印记、X X染染 色体失活和转录调控方面色体失活和转录调控方面基因组印记（基因组印记（genomic impriting）：）：来自父方和母方的等位基因在通过精子和卵子传递给子来自父方和母方的等位基因在通过精子和卵子传递给子 代时发生了修饰，使带有亲代印记的等位基因具有不同代时发生了修饰，使带有亲代印记的等位基因具有不同 的表达特性，这种修饰常为的表达特性，这种修饰常为DNADNA甲基化修饰，也包括组甲基化修饰，也包括组 蛋白乙酰化、甲基化等修饰蛋白乙酰化、甲基化等修饰X X染色体失活（染色体失活（X chromosome inactivation X chromosome inactivation）女性有两条女性有两条X X染色体，男性只有一条染色体，男性只有一条X X染色体，为保持平衡，女染色体，为保持平衡，女性的一条性的一条X X染色体被永久失活，即染色体被永久失活，即“剂量补偿剂量补偿”效应效应 父本父本X X染色体在所有的早期胚胎细胞中失活，表现为整个染色体染色体在所有的早期胚胎细胞中失活，表现为整个染色体的组蛋白被修饰和对细胞分裂有抑制作用的的组蛋白被修饰和对细胞分裂有抑制作用的Pc-GPc-G蛋白蛋白(Polycomb(Polycombgroup proteins,Pc-G)group proteins,Pc-G)表达，然后表达，然后XpXp在内细胞群又选择性恢复活性，在内细胞群又选择性恢复活性，最后父本或母本最后父本或母本X X染色体再随机失活。染色体再随机失活。功能性非编码功能性非编码RNARNA（non-coding RNAnon-coding RNA）：）：长链非编码长链非编码RNARNA（long strain non-coding RNAlong strain non-coding RNA）：在基因簇以至）：在基因簇以至 于整个染色体水平发挥顺式调节作用，还具有反式调节的于整个染色体水平发挥顺式调节作用，还具有反式调节的 作用作用短链短链RNARNA（short strain non-coding RNAshort strain non-coding RNA）：在基因组水平对基）：在基因组水平对基 因表达进行调控因表达进行调控DNADNA骨架的硫修饰（骨架的硫修饰（sulfur modification of DNA backbonesulfur modification of DNA backbone）：）：从植物致病菌到人类病原菌，从好氧菌到厌氧菌，广泛多样性从植物致病菌到人类病原菌，从好氧菌到厌氧菌，广泛多样性硫修饰是自然微生物硫修饰是自然微生物DNADNA骨架广泛存在又非常独特的生理修饰骨架广泛存在又非常独特的生理修饰DNADNA硫修饰微生物的分布与特定的海洋区域、海洋深度相关硫修饰微生物的分布与特定的海洋区域、海洋深度相关二、二、DNADNA修复（修复（DNA repairingDNA repairing）DNA修复：细胞对内外诱变因素造成的修复：细胞对内外诱变因素造成的DNA损伤和复制过程中发生损伤和复制过程中发生 非标准碱基的参入，以及碱基错配所造成的非标准碱基的参入，以及碱基错配所造成的DNA结构和结构和 序列错误的一种纠正功能和过程序列错误的一种纠正功能和过程所有细胞都具有特定的所有细胞都具有特定的DNA修复酶系统以确保遗传信息的正常流动修复酶系统以确保遗传信息的正常流动DNADNA损伤原因（损伤原因（DNA damage results fromDNA damage results from）DNADNA损伤类型（损伤类型（types of DNA damagetypes of DNA damage）DNADNA修复机制（修复机制（mechanism of DNA repairmechanism of DNA repair）直接修复直接修复(direct repair)(direct repair)切除修复切除修复(excision repair)(excision repair)错配修复错配修复(mismatch repair)(mismatch repair)识别出正确的链（母链甲基化），切除掉不正确的部分，然后通过识别出正确的链（母链甲基化），切除掉不正确的部分，然后通过DNA聚合酶和聚合酶和DNA连接酶，合成正确配对的双链连接酶，合成正确配对的双链DNA主要用来纠正主要用来纠正DNA双螺旋上错配的碱基对，还能双螺旋上错配的碱基对，还能修复一些因复制打滑而产生的小于修复一些因复制打滑而产生的小于4nt的核苷酸的核苷酸插入或缺失插入或缺失双链断裂修复双链断裂修复(double strain break repair)(double strain break repair)在在DNADNA损伤时，缺乏校对功能的损伤时，缺乏校对功能的DNADNA聚合酶常在受损部位进行聚合酶常在受损部位进行DNADNA复制以避免细胞死亡，但同时又导致较高的差错率的修复方式复制以避免细胞死亡，但同时又导致较高的差错率的修复方式由高水平的由高水平的DNADNA损伤引起的多种基因的协同诱导作用，也叫损伤引起的多种基因的协同诱导作用，也叫SOS SOS responseresponse（SOS SOS 应答）应答）易错修复易错修复(error-prone repair)(error-prone repair)重组修复重组修复(recombinational repair)(recombinational repair)复制含有嘧啶二聚体或其它结构损伤的复制含有嘧啶二聚体或其它结构损伤的DNADNA，当复制到损伤的部位时，子代当复制到损伤的部位时，子代DNADNA链中与损链中与损伤部位相对应的部位出现缺口，新合成的伤部位相对应的部位出现缺口，新合成的子链比未损伤的子链比未损伤的DNADNA链要短一些。完整的母链要短一些。完整的母链与有缺口的子链重组，缺口由母链来的链与有缺口的子链重组，缺口由母链来的核苷酸片段弥补。合成重组后，母链中的核苷酸片段弥补。合成重组后，母链中的缺口通过缺口通过DNADNA多聚酶的作用，合成核苷酸多聚酶的作用，合成核苷酸片段，然后由连接酶使新片段与旧链联结，片段，然后由连接酶使新片段与旧链联结，重组修复完成重组修复完成 三、基因序列多样性三、基因序列多样性(gene sequence diversity)(gene sequence diversity)基因序列多样性基因序列多样性(gene sequence diversity)(gene sequence diversity)异构体（异构体（isoformsisoforms）免疫球蛋白基因的多样性免疫球蛋白基因的多样性(diversity of Ig gene)(diversity of Ig gene)(vetebrates)(vetebrates)1.1.胚胎细胞的胚胎细胞的V-JV-J或或V-D-JV-D-J重排重排 抗体多样性的主要来源抗体多样性的主要来源2.2.基因重组的连接变异性基因重组的连接变异性V V、D D、J J重组连接时，识别序列重组连接时，识别序列的丢失或位移，增加多样性的丢失或位移，增加多样性N N区的变化：在接头末端减少或增加多达区的变化：在接头末端减少或增加多达15nt15nt连接重组：连接重组：V V、D D、J J连接时发生重组连接时发生重组3.3.体细胞基因突变体细胞基因突变基因片段重排后，发生体细胞基因片段重排后，发生体细胞ntnt点突变点突变,一般不发生在一般不发生在IgMIgM体细胞突变与免疫应答过程有关，第二或三次抗原刺激，变体细胞突变与免疫应答过程有关，第二或三次抗原刺激，变 异更大，大部分在异更大，大部分在CDR1CDR1和和CDR2CDR2，随机体细胞突变后，提，随机体细胞突变后，提 高抗体亲和力的突变被选择高抗体亲和力的突变被选择无脊椎动物：免疫相关基因序列多样性无脊椎动物：免疫相关基因序列多样性 (diversity of immune-related genes,invertebrates)(diversity of immune-related genes,invertebrates)Zhang,S.M.et al.2004.Zhang,S.M.et al.2004.Science Science 305:251-254 305:251-254 细胞凋亡细胞凋亡 caspase(PjCaspase)caspase(PjCaspase)上调表达上调表达PjCaspasePjCaspase：对虾细胞凋亡必需蛋白：对虾细胞凋亡必需蛋白D C I 2008,32:706-715 RNAiRNAi过量表达过量表达病毒定量病毒定量PjCaspase基因多样性基因多样性无组织特异性无组织特异性 无个体特异性无个体特异性cDNAcDNA基因组基因组DNADNA可能单拷贝可能单拷贝基因序列多样性的意义基因序列多样性的意义?不同的分子抵抗不同的病原不同的分子抵抗不同的病原关键基因关键基因RNAi:RNAi:片段片段3 3与抗病毒有关系（编码区）与抗病毒有关系（编码区）RNAiRNAi抑制抑制PjCaspasePjCaspase（含片段（含片段3 3）表达）表达WSSVWSSV诱导的凋亡活性显著降低诱导的凋亡活性显著降低Vibrio parahaemolyticusVibrio parahaemolyticus诱诱 导的凋亡活性无变化导的凋亡活性无变化特异突变标记特异突变标记 探针探针随机标记探针随机标记探针PjCaspasePjCaspase（含片段（含片段3 3）过量表达过量表达体外合成体外合成PjCaspase mRNAPjCaspase mRNAWSSVWSSV诱导的凋亡活性显著增高诱导的凋亡活性显著增高Vibrio parahaemolyticusVibrio parahaemolyticus诱导诱导 的凋亡活性无变化的凋亡活性无变化caspasecaspase（含片段（含片段3 3）沉默）沉默/过过量表达对量表达对WSSVWSSV感染的影响感染的影响基因沉默，基因沉默，WSSVWSSV拷贝数显著上升拷贝数显著上升基因过量表达，基因过量表达，WSSVWSSV拷贝数显著下降拷贝数显著下降可能机制可能机制基因多样性：基因多样性：无脊椎动物抵抗不同病原侵染的有效方式无脊椎动物抵抗不同病原侵染的有效方式