分子生物学染色体与dna省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、第第2章章 染色体与染色体与DNA第一节第一节 遗传基本单位遗传基本单位基因基因第二节第二节 原核生物基因结构特点原核生物基因结构特点第三节第三节 真核生物基因结构特点真核生物基因结构特点第四节第四节 DNA复制复制第五节第五节 DNA损伤与修复损伤与修复第六节第六节 DNA转座转座第第1页页v 复制(复制(replication):遗传信息从亲代):遗传信息从亲代DNA传递给子代传递给子代DNA过程,称为复制。过程,称为复制。一、一、DNA复制基本特点复制基本特点二、二、DNA复制几个主要形式复制几个主要形式三、三、原核生物原核生物DNA复制特点复制特点四、四、真核生物真核生物 DNA复制特
2、点复制特点五、五、DNA复制调控复制调控第四节第四节 DNA复制复制第第2页页 l半保留复制半保留复制(semi-conservative replication)复制高保真性复制高保真性(high fidelity)l双向复制双向复制(bidirectional replication)l半不连续复制半不连续复制(semi-discontinuous replication)一、一、DNA复制基本特点(普通特征)复制基本特点(普通特征)第第3页页uDNA半保留复制半保留复制v 概念:概念:当细胞分裂当细胞分裂DNA进行复制时,双螺旋结进行复制时,双螺旋结构解开而成为两股单链,并各自作为模板,
3、用以构解开而成为两股单链,并各自作为模板,用以指导子代合成新互补链。这么在子代细胞出现新指导子代合成新互补链。这么在子代细胞出现新DNA双链中,其一股单链从亲代完整地接收过来,双链中,其一股单链从亲代完整地接收过来,另一股单链则是完全重新合成,且与母链按碱基另一股单链则是完全重新合成,且与母链按碱基配对标准互补。也就是说两个子细胞配对标准互补。也就是说两个子细胞DNA双链,双链,都和亲代母链都和亲代母链DNA碱基序列完全一致,这种复制碱基序列完全一致,这种复制方式称为方式称为半保留复制(半保留复制(semiconservative replication)。第第4页页DNA半保留复制证据半保留
4、复制证据含含15N-DNA 细菌细菌第一代第一代培养于普培养于普通培养液通培养液第二代第二代培养于普培养于普通培养液通培养液普通普通DNA沉降位置沉降位置普通普通DNA重重DNA重重DNA密度梯度密度梯度离心结果离心结果15N-DNA14N-DNA第第5页页 半保留复制意义半保留复制意义 经过半保留复制,子代保留了亲代经过半保留复制,子代保留了亲代DNA全部遗全部遗 传信息。传信息。DNA分子中遗传信息经过转录和翻译(基因表示)分子中遗传信息经过转录和翻译(基因表示)决定细胞蛋白质结构和功效,即决定细胞蛋白质结构和功效,即DNA经过复制和基因经过复制和基因表示决定了生物特征和类型,从而表示了遗
5、传过程相表示决定了生物特征和类型,从而表示了遗传过程相对保守性。对保守性。遗传信息相对稳定,是物种稳定性分子基础。遗传信息相对稳定,是物种稳定性分子基础。在强调遗传恒定性同时,不能忽略 其变异性。第第6页页A TG CA TA TC GT AT AA TG CA TA TC GT AT AA TG CA TA TC GT AT A经过半保留复制,子代和亲代经过半保留复制,子代和亲代DNA完全一致完全一致第第7页页 从复制原点到终点,组成一个复制单位,叫从复制原点到终点,组成一个复制单位,叫复制子复制子复制时,解链酶等先将复制时,解链酶等先将DNADNA一段双链解开,形成一段双链解开,形成复制点
6、,这个复制点形状象一个叉子,故称为复制点,这个复制点形状象一个叉子,故称为复制叉复制叉u 复制起点、方向和速度复制起点、方向和速度第第8页页 领头链领头链(leading strand):顺着解链方向连续复制链。顺着解链方向连续复制链。随从链随从链(lagging strand):与解链方向相反不连续复制与解链方向相反不连续复制 链。链。55555333领头链领头链随从链随从链解链方向解链方向复制方向与解链方向关系复制方向与解链方向关系复制叉复制叉DNA半不连续复制半不连续复制u 双向复制与半不连续复制双向复制与半不连续复制第第9页页复制叉复制叉复制叉复制叉第第10页页复制方向和速度:复制方向
7、和速度:单起点、双向等速单起点、双向等速多起点、双向等速多起点、双向等速第第11页页二、二、DNA复制几个主要形式复制几个主要形式1、型型复制复制大肠杆菌大肠杆菌DNA在复制时可形成类似希腊字母在复制时可形成类似希腊字母形状。形状。(一)线性(一)线性DNA双链复制双链复制 (二)环状(二)环状DNA双链复制双链复制 第第12页页3-OH5-P3-OH5-P 2、滚环复制、滚环复制 第一阶段:以亲本单链()为模板,合成第一阶段:以亲本单链()为模板,合成 互补链(),形成闭合双链环状复制形。互补链(),形成闭合双链环状复制形。第二阶段:滚环复制。一个负链能够合成许多第二阶段:滚环复制。一个负链
8、能够合成许多 正链,正链用于噬菌体包装。正链,正链用于噬菌体包装。是单向复制特殊方式。是单向复制特殊方式。如:如:174174双链环状双链环状DNADNA复制型(复制型(RFRF)第第13页页(1)模板链和新合成链分开;(2)不需RNA引物,在正链3OH上延伸(3)只有一个复制叉;第第14页页dNTPDNA-pol 3、D环复制环复制:也单向复制一个特殊方式。也单向复制一个特殊方式。首先在动物线粒体首先在动物线粒体DNA复制中被发觉。复制中被发觉。第第15页页第第16页页(一)(一)DNA双链解旋双链解旋1、DNA拓扑异构酶拓扑异构酶(DNA topoisomerase):简称简称拓扑酶拓扑酶
9、Topo.种类:种类:分分型、型、型、型、型、型、型。型。作用:作用:改变改变DNADNA分子拓扑构象,使分子拓扑构象,使DNADNA超超 螺旋结构松弛,克服打结,配合复制。螺旋结构松弛,克服打结,配合复制。三、原核生物三、原核生物DNA复制特点复制特点第第17页页解链过程中正超螺旋形成解链过程中正超螺旋形成第第18页页 拓扑异构酶拓扑异构酶型作用特点型作用特点 :大肠杆菌中大肠杆菌中TopoTopo主要是松弛负超螺旋,而对主要是松弛负超螺旋,而对正超螺旋无作用,故在复制叉行进中不起作用;正超螺旋无作用,故在复制叉行进中不起作用;但真核生物但真核生物TopoTopo对负超螺旋及正超螺旋都有作对
10、负超螺旋及正超螺旋都有作用。用。切断切断DNADNA双链中一股;双链中一股;TopoTopo对单链对单链DNA DNA 亲和力亲和力比双链高得多,这是它识别负超螺旋比双链高得多,这是它识别负超螺旋DNADNA分子基础。分子基础。互补链经过缺口,适当初候又把切口封闭;互补链经过缺口,适当初候又把切口封闭;不消耗不消耗ATPATP。第第19页页拓拓扑扑异异构构酶酶作作用用第第20页页 拓扑异构酶拓扑异构酶型作用特点:型作用特点:在无在无ATPATP时,切断时,切断DNADNA双链两股,未断双链两股,未断DNADNA双链穿过双链穿过缺口,在缺口,在ATPATP供能时将切口封闭。供能时将切口封闭。在模
11、板复制起始点附近使在模板复制起始点附近使DNADNA引入负超螺旋,这引入负超螺旋,这 对于复制引发是必要。对于复制引发是必要。在复制延长过程中,在复制延长过程中,TopoTopo可松弛复制叉前方可松弛复制叉前方 正超螺旋,以利于复制叉行进。正超螺旋,以利于复制叉行进。复制末期,处理母链与新链打结。复制末期,处理母链与新链打结。第第21页页2、DNA解链酶解链酶(DNA helicase):解链酶有各种,包含大肠杆菌解链酶解链酶有各种,包含大肠杆菌解链酶、DnaB蛋白或蛋白或Rep蛋白等。它们在起始点上结合并打蛋白等。它们在起始点上结合并打开开DNA双链,此过程消耗双链,此过程消耗ATP。解链酶
12、多延随从链以解链酶多延随从链以53 方向移动,只有方向移动,只有Rep蛋白延前导链以蛋白延前导链以3 5方向移动。方向移动。DnaA蛋白识别复制起始点,蛋白识别复制起始点,DnaC蛋白辅助蛋白辅助解链酶。解链酶。第第22页页3 3、单链、单链DNADNA结合蛋白结合蛋白(single stranded (single stranded DNA binding protein,SSB)DNA binding protein,SSB)SSB SSB也称也称螺旋反稳定蛋白螺旋反稳定蛋白(helix destablizing(helix destablizing protein,protein,HDP
13、HDP)。v 其作用是在复制中维持模板处于单链状态,并其作用是在复制中维持模板处于单链状态,并保持单链完整。保持单链完整。v 大肠杆菌大肠杆菌SSBSSB是由是由19KD19KD亚基组成四聚体,对亚基组成四聚体,对单链单链DNADNA亲和力强。亲和力强。第第23页页l 解开双链分别与解开双链分别与SSB结合,结合范围结合,结合范围8-16个核个核苷酸。苷酸。SSB对单链对单链DNA亲和力强,而对双链亲和力强,而对双链DNA及及RNA亲和力弱。亲和力弱。l 原核生物中,原核生物中,SSB与与DNA结合表现出协同效应。结合表现出协同效应。第第24页页 原核生物原核生物DNA只有一个复制起始点,只有
14、一个复制起始点,称称Ori C (origin C)。大肠杆菌。大肠杆菌DNA复制起始时,复制起始时,Dna A识别并结合识别并结合Ori C,而且,而且Dna A只与处于负超螺旋只与处于负超螺旋状态下状态下DNA相结合。相结合。复制起始时,模板起始部位复制起始时,模板起始部位DNA负超螺旋构象负超螺旋构象 形成,主要由形成,主要由Topo引入。引入。DNA复制必须以单链为模板,大肠杆菌解链酶复制必须以单链为模板,大肠杆菌解链酶 分解分解ATP取得能量,将双链解开。取得能量,将双链解开。(二)(二)DNADNA复制引发复制引发第第25页页E.coli复制起始点复制起始点 oriC GATTNT
15、TTATTT GATCTNTTNTATT GATCTCTTATTAG 1 13 17 29 32 44 1 13 17 29 32 44 TGTGGATTA-TTATACACA-TTTGGATAA-TTATCCACA58 66 166 174 201 209 237 24558 66 166 174 201 209 237 245 串联重复序列串联重复序列 反向重复序列反向重复序列5 3 5 3 u 复制起始点复制起始点第第26页页双链解开、复制起始双链解开、复制起始第第27页页大约大约20个个DnaA蛋白在蛋白在ATP作作用下与用下与oriC处处4个个9bp保守序列保守序列相结合相结合第第2
16、8页页在在HU蛋白和蛋白和ATP共同作共同作用下用下,Dna复制起始复合复制起始复合物使物使3个个13bp串串联重复重复序列变性序列变性,形成开链形成开链第第29页页解链酶六体分解链酶六体分别与单链别与单链DNA相结合相结合(需需DnaC帮助帮助),深深入解开入解开DNA双双链链第第30页页第第31页页u 引发前体生成:引发前体生成:引发前体引发前体(preprimosome)包含有各种蛋白质因子,包含有各种蛋白质因子,其中最少包含其中最少包含Dna A、Dna B、Dna C。v 复制起始时复制起始时Dna A作用作用:Dna A识别并结合识别并结合Ori C中四个中四个9mer,形成,形成
17、 20-30亚基起始复合物。亚基起始复合物。Dna A促使促使Ori C中三个富含中三个富含AT13mer局部发局部发 生解链,形成解链复合物,此过程有生解链,形成解链复合物,此过程有ATP参加。参加。Dna A引导引导Dna BDna C复合物进入局部解链区,复合物进入局部解链区,形成引发前体复合物,之后形成引发前体复合物,之后Dna B发挥解链酶发挥解链酶 作用,继续解链。作用,继续解链。第第32页页u引物(引物(primer)合成:)合成:引物酶引物酶 复制是在一段复制是在一段RNA引物基础上进行,催引物基础上进行,催化引物合成是一个化引物合成是一个RNA聚合酶聚合酶,它不一样,它不一样
18、于催化转录过程于催化转录过程RNA聚合酶,故称为引物酶聚合酶,故称为引物酶(primase)。大肠杆菌引物酶又称为大肠杆菌引物酶又称为DnaG蛋白,是一条蛋白,是一条60KD多肽链。多肽链。引物酶在模板复制起始部位催引物酶在模板复制起始部位催化互补碱基聚合,形成短片段化互补碱基聚合,形成短片段RNA。第第33页页 引发体引发体 DnaA、DnaB、dnaC蛋白,还有其它蛋白,还有其它复制因子一起形成复合体,结合到模板复制因子一起形成复合体,结合到模板DNA分子上,分子上,再结合引物酶再结合引物酶(DnaG),形成较大聚合体,这种复合,形成较大聚合体,这种复合物称为引发体。物称为引发体。引发体下
19、游解开双链,再由引物酶催化引物合成。引发体下游解开双链,再由引物酶催化引物合成。不一样生物不一样生物RNA引物及结构不一样,动物细胞引物及结构不一样,动物细胞RNA引物约由引物约由10个核苷酸组成,第一个核苷酸常为个核苷酸组成,第一个核苷酸常为ATP,原核生物原核生物RNA引物由数十个核苷酸组成,第一个核引物由数十个核苷酸组成,第一个核苷酸常为苷酸常为GTP。第第34页页v 复制起始复制起始 DNA拓扑异构酶拓扑异构酶在复制起始部位将在复制起始部位将DNA引入引入 负超螺旋。负超螺旋。DnaA蛋白识别、结合于起始位点蛋白识别、结合于起始位点9mer处,并处,并 促使促使13mer局部解链。局部
20、解链。DnaB与与DnaC复合物进入,生成引发前体,然后复合物进入,生成引发前体,然后 DnaB继续发挥解链作用。继续发挥解链作用。SSB与解开单链结合,稳定和保护单链。与解开单链结合,稳定和保护单链。引物酶引物酶(DnaG)进入并与引发前体结合生成引发进入并与引发前体结合生成引发 体。体。引发体中引物酶催化引发体中引物酶催化NTP聚合,生成引物。聚合,生成引物。DNA拓扑异构酶拓扑异构酶(型为主型为主)在解链前方理顺在解链前方理顺DNA 链,松弛正超螺旋。链,松弛正超螺旋。第第35页页 Dna A Dna B、Dna CDNA拓扑异构酶拓扑异构酶引物引物酶酶SSB3 5 3 5 引发体和引物
21、引发体和引物含有解螺旋酶、含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和蛋白、引物酶和DNA复制起始区域复合结构称为引发体。复制起始区域复合结构称为引发体。第第36页页第第37页页 前导前导链链(leading strand):顺着解链方向连续复制链。顺着解链方向连续复制链。后随链后随链(lagging strand):与解链方向相反不连续复制链。与解链方向相反不连续复制链。冈崎片段冈崎片段(Okazaki fragment):随从链上不连续复制片段随从链上不连续复制片段 称为冈崎片段。称为冈崎片段。55555333领头链领头链随从链随从链解链方向解链方向复制方向与解链方向关系复制方向与解链方向关系复制
22、叉复制叉DNA半不连续复制半不连续复制(三)冈崎片段与半不连续复制(三)冈崎片段与半不连续复制-链延伸链延伸 第第38页页(四)复制终止(四)复制终止v 基因组中能独立进行复制单位称为基因组中能独立进行复制单位称为 复制子复制子(replicon),每个复制子中含有一个复制起始点和一个每个复制子中含有一个复制起始点和一个复制终止点。复制终止点。原核生物染色体只有一个复制起始点,故原核生物染色体只有一个复制起始点,故有单一复制子;有单一复制子;原核生物基因是环状原核生物基因是环状DNA,双向复制,双向复制复制片段在复制终止点复制片段在复制终止点(ter)处汇合。处汇合。第第39页页oriC te
23、r100/03282oriCter猿猴病毒猿猴病毒SV40复制起点复制起点和终点和终点180oE.coli复制复制起点和终点起点和终点第第40页页双链环状、型复制、双向等速第第41页页5 55555 5 5OHPpol53外切酶外切酶pol53聚合酶聚合酶dNTP连接酶连接酶ATPADPPiu不连续片段不连续片段 连接连接DNADNA连接酶应用:连接酶应用:在复制中起最终接合缺口作用。在复制中起最终接合缺口作用。在在DNADNA修复、重组、剪接中也起缝和缺口作用。修复、重组、剪接中也起缝和缺口作用。基因工程主要工具酶之一。基因工程主要工具酶之一。第第42页页(五)原核生物(五)原核生物DNAD
24、NA聚合酶聚合酶 u 种类:种类:大肠杆菌中存在大肠杆菌中存在DNA聚合酶聚合酶、DNA聚合酶活性:聚合酶活性:三种酶都有三种酶都有DNA聚合酶活性,且都需要聚合酶活性,且都需要 模板和引物,但模板和引物,但DNApol对底物亲和对底物亲和 力最高,聚合方向为力最高,聚合方向为53。第第43页页 35外切酶活性:外切酶活性:三种酶都有,但三种酶都有,但DNApol 活性最强活性最强。这种酶活性是基于对不配对碱基造成这种酶活性是基于对不配对碱基造成 单链识别,故对复制保真性至单链识别,故对复制保真性至 关主要。关主要。v DNApol 利用利用35外切活性切除错外切活性切除错配碱基,同时利用配碱
25、基,同时利用53聚合活性补回正聚合活性补回正确核苷酸,这种功效称为即时校读确核苷酸,这种功效称为即时校读(proof read)。第第44页页碱基配对正确,碱基配对正确,DNApol 无活性无活性3-5外切活性外切活性5-3聚合活性聚合活性DNApol AGdCTPCG5353DNApolDNApol3-5外切与即时校读功效外切与即时校读功效 53外切酶活性:外切酶活性:DNApol 有有 53外切酶活性,可切除引物。外切酶活性,可切除引物。第第45页页 三种聚合酶分子结构:三种聚合酶分子结构:DNApol为单一肽链,分子量为单一肽链,分子量103KD,由,由A-R共共18个个-螺旋肽段组成。
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