页数:142页文件大小:11.16 MB来源: 分子生物学ppt课件
本课件系统讲解DNA的复制,先建立复制子、复制起点与半保留复制等概念,再介绍复制概况与DNA聚合酶等复制酶学,重点分析半不连续复制与冈崎片段的形成,最后比较原核与真核生物复制的起始、延伸与终止。
第四章DNA复制(DNA Replication)
第一节基本概念第二节复制概况第三节DNA复制的酶学第四节DNA复制的半不连续性第五节原核生物DNA复制(E.coli)第六节真核生物DNA复制
第一节基本概念( Basic Concept )
DNA复制亲代双链DNA分子在DNA聚合
复制体(Replisome)The multi protein (30±) structure that assembles at replicating fork to undertake synthesis of DNA 复制叉处的许多酶和蛋白组成的复合体,协同动作合成DNA
DNA 复制在细胞周期的S期E.coli 37 ℃0.5 h105 bp/minmammalian cell 500-5000 bp/min
第二节复制概况( Surveys of Replication )
一、DNA的半保留复制(Semi-Conservation Replication)1958 Meselson-stahl 设计的CsCl超离心试验证实了DNA复制的这一特性概念:复制过程中各以双螺旋DNA的其中一条链为模板合成其互补链,新生的互补链与母链构成子代DNA分子
15N标记实验
二、复制起点、方式和方向1、复制起点(origin ori或o 复制原点)复制开始处DNA分子的特定位置原核生物(Prokaryote):单复制起点即--整个染色体只有一个复制单位
真核生物(Eukaryote): 多复制起点即--一个genome中有多个复制单位
Replication fork
富含AT & 发夹结构“呼吸作用”十分明显许多酶的结合位点300 bp ±真核生物的复制原点AT rich
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2、复制方向(复制过程的顺序性)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
真核生物的多复制子多个复制眼
(1)单双向复制取决于起点处有一个还是两个复制叉单向复制双向复制
(2)复制的多模式单起点、单方向(原核)多起点、单方向(真核)单起点、双方向(原核)多起点、双方向(真核)
3、复制方式大多数以对称方式进行--即两条链同时复制也有一定时期内DNA只复制一条链的情况(1)从新起始(de novo initiation )或复制叉式(replication fork )比较形象的--θ复制双链环状DNA的复制眼可以形成一种θ结构,形状像希腊字母θ,因而叫….
A replication eye forms a theta structure in circular DNA.
单、双向θ复制模式图单向复制双向复制
(2)置换式(Displacement form)又称D 环复制线粒体和叶绿体DNA的复制方式
(3)共价延伸方式(covalence elongation)或滚环式复制(rolling circle replication)由于复制时产生的滚环结构形状象σ,又称σ复制病毒、细菌因子
第三节DNA复制的酶学(Enzymology of DNA Replication)
一、DNA聚合反应和聚合酶1957 Arthur Kornberg 首次发现DNApolⅠDNApol ⅡDNApol Ⅲ(E.coli)聚合反应:底物--dNTPPoly(核苷酸)n-3’-OH +dNTP →Poly(核苷酸)n+1-3’-OH+2Pi
二、三种DNA聚合酶的结构和功能(P112)
上节课内容回顾:1、基本概念DNA复制复制子复制体复制时期2、半保留复制3、复制起点结构特征复制方向:复制叉复制眼单双向复制的决定条件复制的多模式复制方式:复制叉式(从头起始)D环复制(置换式)σ复制(滚环复制)4、复制酶学三种DNApol DNApol Ш
DNApolⅠ和DNApol Ⅲ的主要特性和功能1、DNA聚合酶活性:两者都有条件--模板、引物DNApolⅠ--主要用于DNA的修复和RNA引物的替换DNApol Ⅲ--DNA链的延长聚合方向:5’-3’
2、3’-5’ 外切核酸酶活性校对功能(proofreading)
3、5’-3’外切核酸酶活性DNApolⅠ的5’-3’外切活性有以下三个特点:♦必须有5’-磷酸末端♦被除去的核苷酸必须是已经配对的♦被除去的可以是脱氧核糖核苷酸,也可以是核糖核苷酸(切刻平移)
4、子链DNA延伸方向只能是5’-3’已知的DNA聚合酶只能使链按5’-3’方向生长5’ OHT C AT C AC 5’ OH 3’ppp OHC++ ppi进化中保留的深刻的选择与适应的、化学及功能的根源P123页
如果DNA的延伸方向是3’ → 5’A T C G +5’ ppp OH 3’Gppp OHGA T C G 5’ ppp OH 3’
A T C G +5’ ppp OH 3’Gppp OHG5’ pppa、因能量的需要,DNA的5’ 端必须带有PPP游离dNTP具有pppppp OH 3’ A T C G 在0.2M Nacl 的生理环境中,使dNTP难以聚合到DNA的5’端需要其他机制以解脱
b、碱基发生错配后的校正…… 费时、费能、增加脱磷酸、加磷酸的能量消耗A T C Gppp OH+pppApOHT C GpppOHT C GT C Gppp OH
三、DNA连接酶(DNA Ligase)所需条件:a、切刻的3’-OH 和5’-P 相邻b、切刻各自碱基处于配对状态c、需要能量原核(ATP、NAD)真核(ATP)用途:复制过程中,5’ 端RNA引物被置换后切刻的连接修复、重组
四、与DNA几何学性质相关的酶1、解螺旋酶(helicase):又称解旋酶单链结合蛋白(SSB single-strand binding protein2、DNA旋转酶:消除复制叉前进过程中产生的正超螺旋,产生负超螺旋
第四节DNA复制的半不连续性(Semi-Discontinuous Replication)
3‘5‘3‘5‘OK !How
τ岗奇片段(Okazaki fragment)1968E.coli[t-] 2’’, 7’’, 15’’, 30’’脉冲标记dT-H3 0℃KCN 杀死D.S. DNA S.S. DNA 蔗糖密度梯度离心测定H3-T放射强度脉冲追踪20℃ in dT-H330’’ 转移到正常培养基中
H3-T 脉冲追踪脉冲标记30’’
dUTP
UUdenature dump fragment~
前导链( dUMP片段长度) 后随链(岗奇片段的长度)dUMP片段脉冲追踪脉冲标记30’’ 15’’ 7’’ 2’’Okazaki 片段在某种意义上为dUMP片段
先导链按dUMP片段连续复制后随链按Okazaki 片段不连续复制先导链(leading strand):DNA复制时,与复制叉向前移动的方向一致,以3’→5’链为模板,按5’→3’方向连续合成的一条链后随链(lagging strand):冈崎片段(Okazaki fragment): DNA复制不连续合成链中形成的短DNA片段
原因--后随链的片段合成需要一个周期性的
coli[Rif s][Rif S ]+
M13RF的形成需要RNA
实验证据Ⅱ
3、后续研究发现:♦细菌中先导链的合成受Rifalmpin 的抑制♦后随链的合成不受Rifalmpin限制(1)原因:♫先导链的起始需要RNApol的转录激活♫而后随链的起始由引发酶合成引物,而引发酶不受Rifalmpin的抑制
(2)DNA复制的转录激活(transcriptional activation):DNA复制起始时通过RNApolymerse的转录过程而解开局部的双链转录激活时产生的RNA能否作为引物目前尚未得出普遍结论P119页
上节课内容回顾:1、DNApolⅠ和Ш的主要活性和功能聚合活性外切活性(两种)延伸方向2、DNA连接酶3、和DNA的几何学性质相关的酶螺旋酶旋转酶4、DNA复制的半不连续性实验证据先导链后随链5、DNA复制引物是RNA的实验证据
质粒ColE1的DNA复制起始引物RNA 为RNA聚合酶转录(经过剪切)该RNA与起始区域DNA紧密结合
(1)RNApol (RNA polymerase) [ Rif S ](2)dnaG (primase) [Rif R ]组装成引发体完成对后随链(先导链)引物的合成(3)完成10 ±NtRNA引物合成后DNApo lII 进行DNA链的延伸DNApolⅠ Ligase 主要实现DNA复制的转录激活起始较先导链的启动落后一个Okazaki片断4、总结:
RNA primed DNA replication
Removal of RNA primers and filling of gaps
复制叉如何诞生
后随链上所包含的事件
引发体(包括引发酶)pppRNA引物DNA polymerase IIIpppDNA polymerase IDNA polymerase IDNAligase
第五节原核生物DNA复制(DNA replication in Prokaryote)
一、DNA复制机构的研究利用突变表型来考察基因的功能但只能利用条件型突变温度敏感突变体材料: E.coli 或噬菌体
二、DNA复制的起始起始方式:a、从头起始(denovo initiation):θ复制、D环复制、线状DNA的复制b、共价延伸(covalent extesion)滚环复制
(1)OriC in E. coli chromosomal DNA1、oriC与E.coli 复制的起始(从头起始)♦四个9bp的重复序列dnaA结合位点♦三个13bp的重复序列若干GATC位点
(2)简单起始过程a、涉及主要酶系:DnaA、RNApol是必不可少的,此外涉及到DnaB(解旋酶)、DnaC、Hu、Gyrase、SSB、DnaG、TopІ和DNApol Ш全酶
b、简单步骤:*转录激活* DnaA 识别并结合复制起点,DnaB-DnaC六聚体与oriC 形成预引发体*DnaG加入形成引发体(oriC引发体),合成引物RNA* 引物合成后,DNApol 组装到引发的RNA上,完成复制体的组装
DnaASSB13bp repeats涉及转录激活
(3)E.coli细胞加倍时间与复制起始加倍时间37℃ < 20min~10h复制时间:40min左右(850核苷酸/秒)分裂过程中其它事件约需20min(组分、隔膜)因此--加倍时间少于60min的细胞两轮复制有共用时间
2、共价延伸方式(covalence elongation)ФX174的若干正链的合成起始--滚环复制过程
三、延伸过程进入的标志:DNApol Ш把第一个核苷酸加到引物的3’-OH端(一)后随链合成的起始(前体片段的起始)后随链的第一个冈崎片段起始于先导链进入延伸之后Φx174 phage后随链的起始(负链合成、不连续合成)P117页
Φx 型引发体的组装以PriA识别引发体组装位点(primosome assembly site pas)开始,首先形成预引发体其中--引发体组装位点唯一,但引发位点是不唯一的Φx 型引发体或其部分组分可沿单链DNA移动到每一个冈崎片段的起点PriA提供引发体移动的动力
位于复制叉处的多酶复合体
上节课内容回顾:1、RNApol和引发酶在引物合成中的作用4、复制延伸后随链合成的起始Φx 型引发体PriA3、复制机构研究起始方式oriC与复制起始(E.coli加倍与起始)2、后随链上的事件
(二)Φx 174 DNA的复制a、SS → RFⅠ Φx 型引发体起始后,由DNApolⅢ、Ⅰ和连接酶等协同合成(后随链的起始过程)b、多拷贝RFⅠ 的合成(滚环复制)(先导链的合成过程、后随链合成)c、后代单链(SS)DNA的合成(DNA复制过程是上一过程的一部分先导链)
A蛋白(gpA):♦Φx 174基因A的产物♦结合到RFⅠDNA的复制原点的结合位点(引发体的帮助)♦诱导相邻的识别位点的熔解(负超螺旋、富含A/T)♦其核酸内切酶活力切割(+)链的4305与4306碱基的酯键,并共价连接于5’端(A),另一端为自由的3’-OH(G)Rep蛋白--解旋酶
复制体
复制叉处的复制体(三)前导链和后随链的协同合成聚合酶Ш全酶前导链后随链螺旋酶引发体引物引发酶活性中心一活性中心二PriA清除SSB提供引发体移动动力极性3‘→5’
一分子的DNA pol III. 协同合成前导链和后随链
四、复制终止1、环形DNA复制的终止a、终止序列E.coli 有两个终止区域,分别结合专一性的终止蛋白序列一:terE terD terA序列二:terF terB terC每个区域只对一个方向的复制叉起作用
b、专一性终止蛋白E.coli 中由tus gene编码(terminus utilization substance)通过抑制DNA螺旋酶而发挥终止作用每次复制时只使用一个终止位点ter
2、细菌(E.coli)DNA每个细胞周期只复制一次
每个细胞周期复制一次可能受OriC甲基化的控制11 copies in OriC
3、线性DNA的末端复制的问题
(1)线状DNA的复制5’末端短缩的解决模式a、从开始就采取环化的形式---λ噬菌体b、象T7噬菌体一样采取连环分子的形式利用自身线性DNA末端的重复序列--通过末端互补形成连环分子c、最直接的办法---引入蛋白质直接从末端起始复制如---腺病毒-2、phageΦ29、脊髓灰质炎病毒d、痘病病毒的末端由发夹结构连接复制完成后错切连接
二聚体3‘-OHATCGTAGCATCG
腺病毒
复制起始复合体引发复制
腺病毒DNA 复制起始G
IRIR长的发夹结构痘病病毒末端复制的解决方式----P122
上节课内容回顾:1、Φx 174 DNA的复制三个阶段A蛋白4、线性DNA末端复制存在的问题四种解决方式3、复制终止终止序列终止蛋白E.coli的复制起始调控2、复制体先导链和后随链的协同合成
五、复制忠实性的保证1、DNApol的3’5’外切酶活性(exonucleaseactivity)2、DNApol只能从引物的3’端延伸DNA(需要RNA引物)a、碱基配对协同性导致最初几个碱基错配率高,且不易校正b、RNA引物最终被降解而避免错误3、后随链的不连续合成因其有利于错配碱基的校正
3.6. 真核生物DNA的复制(DNA replication in Eukaryote)
1、复制概况a、多个复制元(multiple replicon),双向复制b、复制元相对较小(13-900kb),复制速度较慢,大约500~5000bp/min(3000bp/min)冈崎片段100~200NTc、复制终止通过复制叉的相遇而终止
multiple replicon例
2、真核生物的DNA聚合酶α、β、δ、ε、γ五种位置核内核内核内核内线粒体合成与引发修复合成合成,修复复制功能酶结合前导链后随链3’-5’校NO NO Yes Yes Yes正活性αβδεγ
真核生物DNA复制的引发酶
εδ
3、真核生物的复制起始受许可因子的控制4、逆转录酶自学(P127)
5、真核生物染色体DNA末端补齐模式(1) 端粒DNA (Telomer)TTGGGG(T2G4)序列高度重复的末端5’ TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGG3’ (富含G 链)3’ AACCCCAACCCC AACCCC5’ (富含C 链)
(2)端粒酶(Telomerase)1985. Carol Greider & Blackburn, 1986. Gottchling 四膜虫端粒酶(telomerase )将T2G4末端重复延伸游扑虫Telomerase= RNA CAAAACCCC链+末端结合蛋白(TBP)端粒酶---逆转录酶a、核蛋白(ribonucleoproteinRNP)b、含约长150NT的RNA,其中含1~5 拷贝的CxAy重复序列,是合成端粒T2G4的模板c、延长的3’-T2G4端(一段cDNA)作为5’-端DNA合成的模板
3补齐过程通过TG链的回折形成发夹结
G G hoogsteen 氢键三螺旋DNAG链–T2G4-----TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGC链--A2C4-----G链–T2G4-----TTGGGGt t g g g g tt gC链--A2C4-----AACCCCAAg g g g ttgggPrimaseAACCCCAACCCCAACCCCAACCCCAACCCDNA polorG链–T2G4-----TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGC链--A2C4-----
实验表明--人体细胞通过监测失去的端粒的
4、真核生物复制过程中的核小体结构(1)组蛋白的合成在细胞核中与DNA复制同步进行(2)且组蛋白八聚体在DNA复制时并不离开亲本DNA链蛋白质合成抑制剂实验所证实
放线菌酮cycloheximide
(3)组蛋白八聚体以全保留方式传给子代(4)组蛋白八聚体与先导链结合新老八聚体在子代链上的分布复制原点老新先导链后随链
a、复制子的大小(Sizes of replicon):Yeast or fly平均40 kbMammals平均100 kbProkaryotic DNA: >1000 kbb、冈崎片段(Okazaki fragments):Prokaryotic DNA:1000-2000 ntEukaryotic DNA:100-200 ntc、复制速度(Rate of replication):Eukaryotic DNA:ca. 3,000bp/min (50/sec)Prokaryotic DNA:50,000bp/min (900/sec)原核生物和真核生物DNA复制的比较
1. Semi-conservative replication2. Semi-discontinuous repliction3. DNA helicase, Ssb4. RNA priming5. 校正阅读(Proofreading)1. 复制起点(单、多)2. 复制子(大小、多少)3. 复制起始的许可因子的控制(复制周期的重叠与否)4. 复制叉移动的速度(900/50 nt/S)5. 冈崎片段的大小6. 端粒和端粒酶7. DNA聚合酶Polymerases相同点:不同点:
本章结束,谢谢!
名词解释复制复制体半保留复制岗崎片段复制
coli的DNA复制终止机制7
RF-C is a five-subunit complexAll subunits are related in sequence and have ATP binding motifsATP hydrolysis by RF-C is associated with the loading of PCNARF-C is the functional homolog of the clamp-loader gcomplex
3‘-OH环状DNA的复制不存在这样的问题!
Telomerase isa reversetranscriptasetogether witha template RNAIt is active ingerm cells, notin somatic cells,and is activatedin cancers
Figure 18.25 A loop forms at the end of chromosomal DNA. Photograph kindly provided by Jack Griffith.18.10 Telomeres are synthesized by a ribonucleoprotein enzyme
Figure 18.26 The 3’single-stranded end of the telomere (TTAGGG)n displaces the homologous repeats from duplex DNA to form a t-loop. The reaction is catalyzed by TRF2.18.10 Telomeres are synthesized by a ribonucleoprotein enzyme
Figure 13.10 fX174 DNA can be separated into single strands by the combined effects of 3 functions: nicking with A protein, unwinding by Rep, and single-strand stabilization by SSB.13.7 Single-stranded DNA is needed for replication
Figure 13.18 DNA polymerase III holoenzyme assembles in stages, generating an enzyme complex that synthesizes the DNA of both new strands.13.10 Coordinating synthesis of the lagging and leading strands
telomerase
Figure 18.24 Telomerase positions itself by base pairing between the RNA template and the protruding single-stranded DNA primer. It adds G and T bases one at a time to the primer, as directed by the template. The cycle starts again when one repeating unit has been added.18.10 Telomeres are synthesized by a ribonucleoprotein enzyme
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