第二章染色体与DNA.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,级,*,第二章 染色体与,DNA,第一节 染色体,第二节 DNA的结构,第三节 DNA的复制,第四节 原核生物和真核生,物DNA复制特点,第五节 DNA的修复,第六节 DNA的转座,第七节,SNP,的理论与应用,第一节 染色体（,Chromosome),1.,染色体概述,染色体由,DNA,和蛋白质两大部分组成,DNA,在染色体上，染色体是,DNA,的载体,染色体是细胞内具有遗传性质的物体，易被碱性染料染成深色，所以叫染色体（染色质）,染色体与染色质是同一种物质的两种形态。伸展的染色质形态有利于在它上面的,DNA,储存的信息的表达，而高度螺旋化了的棒状染色体则有利于细胞分裂中遗传物质的平分。,染色体与染色质,间期：,DNA,合成前期,(G1),合成期,(S),后期,(G2),人类,22,对常染色体及性染色体,性染色体扫描电镜图,同一物种内每条染色体所带,DNA,的量是一定的，但不同染色体和不同物种之间变化很大，从上百万到几亿个核苷酸不等。,1.28,亿,0.19,亿,分子结构相对稳定,2.,能够自我复制，使亲、子代之间保持连续性,3.,能够指导蛋白质的合成，从而控制整个生命过程,4.,能够产生可遗传的变异,作为遗传物质染色体应该具备的特性：,2.,染色体的组成和结构,2.1,原核生物,(prokaryote),一般只有一条大染色体且大都带,有单拷贝基因，少数基因（如,rRNA基因）是以多拷贝形式存在。,整个染色体DNA几乎全部由功能基因和调控序列所组成。,几乎每个基因序列都与它所编码蛋白质序列呈线性对应关系,2.,2,真核细胞染色体的组成,真核生物染色体中DNA相对分子质,量一般大大超过原核生物，并结合,有大量的蛋白质，结构非常复杂。,其具体组成成分为：组蛋白、非组蛋白、DNA。,在真核细胞染色体中，DNA与蛋白质完全融合在一起，其蛋白质与相应DNA的质量之比约为2:1。这些蛋白质在维持染色体结构中起着重要作用。,组蛋白：,H1 H2A H2B H3 H4,非组蛋白,核小体,DNA,蛋白质,染色体,组蛋白：,一组进化上非常保守的碱性蛋白质，其中碱性氨基酸,(Arg,，,Lys),约占,25%,，存在于真核生物染色质，分为,5,种类型,(H1,，,H2A,，,H2B,，,H3,，,H4),，后,4,种各,2,个形成组蛋白八聚体，构成核小体的核心，占核小体质量的一半。,2.,2.,1.1,组蛋白,2.,2.,1,蛋白质,H3,和,H4,富含精氨酸；,H1,富含赖氨酸；,H2A,和,H2B,介于两者之间,组蛋白的一般特性：,1.,进化上的保守性,不同种生物组蛋白的氨基酸组成是十分相似的。对稳定真核生物的染色体结构起着重要的作用。,2.,2.,1.1,组蛋白,2.,2.,1,蛋白质,牛、猪、大鼠的,H4,氨基酸序列完全相同,;,牛的,H4,序列与豌豆序列相比只有两个氨基酸的差异,;,H3,的保守性也很大，鲤鱼与小牛胸腺的,H3,只差一个氨基酸，小牛胸腺与豌豆,H3,只差,4,个氨基酸。,2.,无组织特异性,到目前为止，仅发现鸟类、鱼类及两栖类红细胞染色体不含,H1,而带有,H5,，精细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白,3.,肽链氨基酸分布的不对称性,碱性氨基酸集中分布在,N,端的半条链上。例如，,N,端的半条链上净电荷为,+16,，,C,端只有,+3,，大部分疏水基团都分布在,C,端。,4.,H5,组蛋白的特殊性,富含赖氨酸,24%,、丙氨酸,16%,、丝氨酸,13%,、精氨酸,11%,。鸟类、两栖类、鱼类红细胞分离的,H5,均有种的特异性。,H5,的磷酸化可能与染色质失活过程有关！,5.,组蛋白的可修饰性,包括甲基化、乙基化、磷酸化,2.,2.,1.2,非组蛋白,非组蛋白：指,细胞核,中组蛋白以外的酸性,蛋白质,非组蛋白不仅包括以,DNA,作为底物的,酶,，也包括作用于组蛋白的一些酶,如组蛋白甲基化酶。此外还包括,DNA,结合蛋白、组蛋白结合蛋白和调节蛋白。由于非组蛋白常常与,DNA,或组蛋白结合,所以在染色质或染色体中均有非组蛋白的存在,如,染色体,骨架蛋白。,非组蛋白大约占组蛋白总量的,60%-70%,，种类很多，约,20-100,种，常见的有,15-20,种。,真核细胞染色体的,DNA,如图所示，经过四级压缩，长度压缩将近,10000,倍。,四级分别为：,核小体,螺线管,超螺旋圆筒,染色单体,3.,真核细胞染色体的结构,核小体(nucleosomes),核小体(nucleosomes),核小体是由,H2A,、,H2B,、,H3,、,H4,各两个分子生成的八聚体和由大约,200bpDNA,组成的。八聚体在中间，,DNA,分子盘绕在外，而,H1,则在核小体的外面。每个核小体只有一个,H1,压缩比为7。,146 bp,1.75,圈,核小体组成念珠状结构，有一条细丝连着一串直径为,10nm,的球状体。,螺线管是由,10nm,染色质细丝盘绕形成的螺旋管状细丝，表现为,30nm,纤维。,螺线管每一螺旋包含,6,个核小体，压缩比为,6,。,这种螺线管是分裂间期和分裂前期染色体的基本组分。,螺线管,中期染色质是一细长、中空的圆筒，直径4000nm，,6,个环状,DNA,构成莲座状结构。由30nm的螺线管缠绕而成，压缩比为40。,超螺旋圆筒,染色单体,染色单体由超螺旋圆筒再压缩5倍而成。,基因组很小，大多只有一条染色体*,p30,结构简炼*,存在转录单元(trnascriptional operon)*,X174,(60%)D-E-J-F-G-H mRNA,蛋白,J、F、G,(多顺反子）,H，D E,4.1,原核生物基因组结构特点,4.,原核生物和真核生物基因组结构特点比较,有重叠基因（,Sanger,发现）：,同一段,DNA,含有两种不同蛋白质的信息。,基因内基因 部分重叠基因 一个碱基重叠,*,4.2,真核生物基因组结构特点（,P29),真核基因组结构庞大,人类：,30,亿个碱基对，,3000M,bp,。,单顺反子,非编码区较多 多于编码序列,(9:1),含有大量重复序列,基因不连续性,是断裂基因（,interrupted gene,）,内含子,(intron),、外显子,(exon),真核基因组中存在大量的顺式作用元件，包括启动子，增强子，沉默子等；,真核基因组中存在大量,DNA,多态性。,DNA,多态性是指,DNA,序列中发生变异而导致的个体间核苷酸序列的差异，主要包括像,SSR,SNP,等；,真核基因组具有端粒结构，端粒是真核生物线性基因组,DNA,末端的一种特殊结构，它是一段,DNA,序列和蛋白质的复合体。,第二节,DNA,的结构,DNA,的一级结构,构成,DNA,和,RNA,核苷酸的结构和连接方式,DNA,的二级结构,DNA,的二级结构主要是各种形式的螺旋，特别是,B-,型双螺旋，此外还有,A-,型双螺旋、,Z-,型双螺旋等,Happy Birthday,Double Helix,62,Molecular Structure of Nucleic Acids:A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid,(Nature,April 25,1953.volume 171:737-738.),The novel feature of the structure is the manner in which the two chains are held together by the purine and pyrimidine bases.The(bases)are joined together in pairs,a single base from one chain being hydrogen-bonded to a single base from the other chain,so that the two lie side by side.One of the pair must be a purine and the other a pyrimidine for bonding to occur.Only specific pairs of bases can bond together.These pairs are:adenine(purine)with thymine(pyrimidine),and guanine(purine)with cytosine(pyrimidine).,.in other words,if an adenine forms one member of a pair,on either chain,then on these assumptions the other member must be thymine;similarly for guanine and cytosine.The sequence of bases on a single chain does not appear to be restricted in any way.However,if only specific pairs of bases can be formed,it follows that if the sequence of bases on one chain is given,then the sequence on the other chain is automatically determined.,.It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material.The structure itself suggested that each strand could separate and act as a template for a new strand,therefore doubling the amount of DNA,yet keeping the genetic information,in the form of the original sequence,intact.,已步入古稀之年的,Watson,（左）和,Crick,（右）在讨论,DNA,双螺旋结构模型,B,型双螺旋,DNA,二级结构的主要形式为,James Watson,和,Francis Crick,于,1953,年提出的,B,型双螺旋，其主要内容是：,（,1,）,DNA,由两条呈反平行的多聚核苷酸链组成，两条链相互缠绕形成右手双螺旋；,（,2,）组成右手双螺旋的两条链是互补的，它们通过特殊的碱基对结合在一起，碱基配对规则是一条链上的,A,总是与另一条链的,T,，,G,总是和,C,以氢键配对。其中,AT,碱基对有二个氢键，,GC,碱基对有,3,个氢键；3,）碱基对位于双螺旋的内部，并垂直于暴露在外的脱氧核糖磷酸骨架。碱基对之间通过疏水键和范德华力相互垛叠在一起，对双螺旋的稳定起一定的作用；,（,4,）双螺旋的表面含有明显的大沟和小沟，其宽度分别为,2.2,nm,和,1.2,nm,；,（,5,）双螺旋的其它常数包括相邻碱基对距离为,0.34nm,，并相差约,36,。螺旋的直经为,2nm,，每一转完整的螺旋含有,10,个碱基对，其高度为,3.4nm,B,型双螺旋,AT,和,GC,碱基对的配对性质,DNA,湿纤维的,X,射线衍射图,DNA,分子中不同碱基之间的可能配对,双螺旋稳定的因素,（,1,）氢键,氢键固然重要，但它们主要决定碱基配对的特异性，而对双螺旋稳定的贡献不是最重要的。对双螺旋稳定起决定性作用的是碱基的堆积力。,（,2,）碱基堆积力,这是碱基对之间在垂直方向上的相互作用所产生的力。它包括疏水作用和范德华力。碱基间相互作用的强度与相邻碱基之间环重叠的面积成正比。总的趋势是嘌呤与嘌呤之间,嘌呤与嘧啶之间,嘧啶与嘧啶之间。另外碱基的甲基化能提高碱基的堆积力。,（,3,）阳离子或带正电荷的化合物对磷酸基团的中和。,DNA,双螺旋的,ABZs,A-DNA,A-RNA,大沟,小沟,Comparison of A,B,Z DNA,A:right-handed,short and broad,2.3,11 bp per turn,Bright-handed,longer,thinner,3.,4,10 bp per turn,Z:left-handed,longest,thinnest,3.8,12 bp per turn,A,型双螺旋,B,型双螺旋,Z,型双螺旋,外形,短而宽,长而瘦,长而细,每碱基对上升距离,0.23nm,0.332,0.19nm,0.38nm,螺旋直经,2.55nm,2.37nm,1.84nm,螺旋方向,右手,右手,左手,螺旋内每重复单位的,bp,数,1,1,2,每圈,bp,数,11,10,12,碱基夹角,32.,7,34.,6,6,0,/2,螺距,2.46nm,3.32nm,4.56nm,碱基对倾角,19,1.2,4.1,9,螺旋轴位置,大沟,穿过碱基对,小沟,大沟,极度窄、很深,很宽，深度中等,平坦,小沟,很宽、浅,窄，深度中等,极度窄、很深,糖苷键构象,反式,反式,C,为反式，,G,为顺式,糖环折叠,C,3,内式,C,2,内式,嘧啶,C,2,内式，嘌呤,C,3,内式,存在,双链,RNA,，,RNA/DNA,杂交双链，低湿度,DNA,（,75,）,双链,DNA,（高湿度，,92,）,嘧啶和嘌呤交替存在的双链,DNA,或,DNA,链上嘧啶和嘌呤交替存在的区域,A,型双螺旋、,B,型双螺旋和,Z,型双螺旋的比较,DNA,的三级结构,超螺旋,如果通过某种手段使得,DNA,双螺旋每一圈的碱基对数目多于或少于,10,对，将导致,DNA,双螺旋缠绕过多或缠绕不足；如果这时的,DNA,两端被固定或者,DNA,本来是共价闭环的，这张力无法释放而自发地形成超螺旋结构。,DNA,超螺旋分为正超螺旋和负超螺旋，其中正超螺旋为右手超螺旋，由,DNA,双螺旋过度缠绕引起，负超螺旋为左手超螺旋，由,DNA,双螺旋缠绕不足引起,。,正超螺旋 负超螺旋,DNA,的三级结构,DNA,的三级结构,左手,右手,第三节 DNA的复制,1.DNA,的半保留复制,*,（P,37,),遗传物质DNA通过半保留复制的方式传递给子代,亲子代性状相像的根本原因是什么？,*,（P,38,),复制起点（,origin,，,ori,，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，整个染色体只有一个复制单位,2.,复制的起点、方向和速度,many bacteriophage and viral DNA molecules are circles and comprise single replications,（单复制子）,真核生物（,Eukaryote,）,:,多复制起点,真核生物的多复制子 多个复制眼,DNA复制的几种主要方式,（1）线性DNA双链的复制；,复制叉的生长方式有单一起点单向（腺病毒）及双向,(,T7噬菌体,),和多个起点的双向,(,真核生物,),；2）环状DNA双链的复制：,型、滚环型、D环型,第四节 原核生物和真核生物,DNA,复制的特点,原核细胞是研究,DNA,复制的最佳的实验系统。,特点：细胞小，生活周期短，易在人工条件下培养，原核生物易获得各种突变体。,原核生物中的大肠杆菌是在各方面研究最深入的一种。,DNA,复制研究选材,1.,原核生物,DNA,复制的特点,DNA,复制过程需要多种酶和蛋白质的参与,大肠杆菌,(,E.coli),的,OriC,复制原点,大肠杆菌基因组的复制原点位于天冬酰胺合成酶和ATP合成酶操纵子之间，全长245 bp,称为o,riC,。,3,个连续的,13bp,的串联重复序列，富含,A-T,4,个,9bp的保守序列，能与,DnaA,结合,大肠杆菌,(,E.coli),OriC,结构特点,E.coli,的,ori,C,结构模式：,a.,Ori,C,内富含,A-T,序列和,4,个,9,碱基对重复序列的分布；,b.,在,ori,C,处复制起始模式,由大肠杆菌,oriC,复制起始点,处引发的,DNA,复制过程,大约,20,个,DnaA,蛋白在,ATP,的作用下,与,oriC,处的,4,个,9 bp,保守序列相结合。,在,Hu,蛋白和,ATP,的共同作用下，,DnaA,复制起始复合物使,3x13 bp,直接,重复序列变形，形成开链。,DnaB,（解链酶）六体分别与单链,DNA,相结合（需要,DnaC,的帮助）进一步解开,DNA,双链。,与引物结合，起始,DNA,复制。,1.1 DNA,双螺旋的解旋,首先在拓扑异构酶的作用下解开负超螺旋，并由,DNA,解链酶,(DNA helicase)DnaB,解开双链,;,接着由,SSB,蛋白,(,单链结合蛋白）来稳定解开的单链，以保证该局部结构不会恢复为双链。,在,RNA,引物的引导下起始子链的合成,DNA,解链酶,RNA,引物,D,N,A,结,合,蛋,白,DNA,拓扑异构酶,1.1.1 DNA,解链酶,(DNA helicase),模板对复制的指导作用在于碱基的准确配对，而碱基却埋在双螺旋的内部。只有把,DNA,解开成单链，才能起模板作用。,通过水解ATP,获得能量来解开双链,DNA,；方向为,5,3,。,DNA,双螺旋的解旋,大肠杆菌中解旋酶,DnaB,作为引发体成员，参与复制叉的形成，利用,ATP,水解的能量解开双螺旋，推动复制叉向前延伸,解旋酶沿着复制叉向前延伸产生了一段单链，细胞内大量的单链结合蛋白能和单链结合，防止其重新配对形成双链,1.1.2,单链结合蛋白（,SSB,）,SSB,的作用：,1.,使,DNA,单链保持一种伸展构象，它们与磷酸骨架结 合，离开暴露的碱基，所以那些碱基可以作为,DNA,合成的模板；,2.,使解开的单链不形成发卡结构；,3.,保护,DNA,单链不受,Dnase,水解。,SSB结合DNA单链，有的具有协同性(cooperative binding)：一个SSB四聚体结合于单链DNA上可以促进其他SSB四聚体现相邻的单链DNA结合。,SSB,可以重复使用，当新生的,DNA,链合成到某一位置时，,该处的,SSB,便会脱落，并被重复利用,拓扑异构体（,topoisomer),：具有不同螺旋数的同一,DNA,分子两种异构体。,拓扑异构酶：可使,DNA,的两种拓扑异构体互变的酶。,DNA,在细胞内以超螺旋状态存在，,DNA,拓扑酶催化同一,DNA,分子不同超螺旋状态之间的转变。,拓扑异构酶的功能：与,DNA,形成共价结合中间体，使,DNA,磷酸二酯键断裂，形成,DNA nick,，,DNA,的一条链进行解旋，旋转而改变,DNA,分子的拓扑状态。,1.1.3 DNA,拓扑异构酶,拓扑异构酶可使,DNA,发生：连环化（,catenate),；脱连环化,(decatenate),；打结（,knot),；解结（,unknot),1.2 DNA,复制的引发,DNA,合成时需要一段,RNA,作为引物，它是由引物酶合成的。,引物酶以单链,DNA,为模板，利用核糖核苷酸直接从头合成,RNA,（,6-10nt),，作为,DNA,合成的引物。,无论前导链还是后随链开始,DNA,合成时，都需要,RNA,引物引发复制，对于前导链来说这一引发过程比较简单，只要有一段,RNA,引物，,DNA,聚合酶就能以此为起点一直合成下去。,但对于后随链来说，引发过程就复杂多了，需要多种蛋白质和酶的协同作用，还牵涉冈崎片段的形成和链接。,引发体的形成,后随链的引发过程是由引发体完成，这需要很多蛋白因子的参与。,DnaA,蛋白识别起始序列并结合于,oriC,的,9bp,重复序列，,形成,oriC,负超螺旋包裹在外，,20-40,个,DnaA,蛋白在内的,复合物。,HU,蛋白参与并促进,DnaA,蛋白识别,3,个,13bp,串联重复序,列使,DNA,熔链形成开放复合物，解链部分约为,45bp,。,DnaB,和,DnaC,（引发体成员）蛋白进入熔链区形成前引物复合体，,DnaC,可推动解旋酶,DnaB,与,DNA,的结合。,SSB,结合在被解开的单链上，由,n,、,n,、,n,”,、,DnaB,、,DnaC,和,DnaI,等,6,种蛋白质组成引发前体,(preprimosome),。,引发前体进一步与引物酶,(DnaG,，,primase),组装成引发体,(primosome),。,DNA pol,组装和复制叉上二聚体形成。,引发体在复制叉先合成先导链的,RNA,引物，再合成后滞链的引物。,引发体在滞后链上沿,5,3,方向相对移动，并在模板链上断断续续地引发生成滞后链的引物,RNA,，供,DNA,聚合酶,合成冈崎片段使用。在,RNA,引物,3,端,DNA,开始聚合。,3,5,3,5,OK!,How?,5,3,5,3,合成方向的问题：,DNA,聚合酶只能以,53,方向合成,DNA;,事实上没有发现,DNA,能按,35,合成的证据,1.3,冈崎片段与半不连续复制,为了解释,DNA,的等速复制现象,日本学者冈崎,(Okazaki),等提出了,DNA,的半不连续复制模型,(semi-discontinuous replication).,DNA,的半不连续复制：,semi-discontinuous,Okazakis(1968),；,Reiji Okazaki was born near Hiroshima,Japan,in 1930.,He was a teenager there at the time of the explosion of the first of two nuclear bombs that the US dropped at the end of World War II.,His scientific career was cut short by his untimely death from cancer in 1975 at the age of 44,perhaps related to his exposure to the fallout of that blast.,*,46,在,DNA,上存在着复制终止位点，复制叉在此位点相遇,E.coli,的,DNA复制终点序列（,23bp,）：,AATTAGTATGTTGTAACTAAAGT,TTAATCATACAACATTGATTTCA,终止序列可被,Tus,蛋白（,tus,基因编码）识别，并结合于其上，阻止,DnaB,的解链作用，使,DNA,复制在终止位点终止。,1.4,复制终止,大肠杆菌,DNA,复制终止区的结构,E.coli,的两个复制叉在相距终点,100kb,时，复制速度减慢，从而协调,2,个复制叉到达的时间。,子代,DNA,的分离,解链,复制体解体,解开缠绕,连锁体分离,已知大肠杆菌存在,DNA,聚合酶,I,、,II,、,III,、,IV,和,V,。,DNA,聚合酶,I,非主要聚合酶，可确保,DNA,合成的准确性，去除冈崎片段,5,端,RNA,引物，使冈崎片段缺口消失。,DNA,聚合酶,II,主要生理功能为修复,DNA,。,DNA,聚合酶,III,为主导聚合酶。,DNA,聚合酶,IV,和,V,主要在,SOS,修复中起作用。,原核生物,DNA,聚合酶,1.5 DNA,聚合酶,DNA Polymerase I,科恩伯格等（,1956,）在大肠杆菌提取液中发现的,DNA,聚合酶，因此也被称为科恩伯格酶,不可思议,!,53,外切核酸酶,35外切核酸酶,53DNA,聚合酶,DNA,聚合酶,I,一条单一肽链至少具有三种不同的酶活性！,DNA,聚合酶,I,不是复制大肠杆菌染色体的主要聚合酶，它有,35,核酸外切酶活性,保证了,DNA,复制的准确性。,它的,5 3,核酸外切酶活性也可用来除去冈崎片段,5,端,RNA,引物，使冈崎片段间缺口消失，保证连接酶将片段连接起来。,DNA,聚合酶,II,的活性很低，只有,DNA,聚合酶,I,的,5%,，所以也不是复制中主要的酶。具有,5,3,方向聚合酶活性和,3,5,核酸外切酶活性。,生理功能主要是起修复,DNA,的作用。,DNA Polymerase II,DNA Polymerase III,它的聚合活性较强，为,DNA,聚合酶,I,的,15,倍，聚,合酶,II,的,300,倍。,它能在引物的3,OH上以每分钟约5万个核苷酸的速率延长新生的DNA链，是大肠杆菌DNA复制中链延长反应的主导聚合酶。,DNA Polymerase III,亚基形成一个围绕,DNA,的环状钳,two halves of sliding clamp,clamped polymerase tethered on DNA,DNA,聚合酶,I,(,去除冈崎片段5端RNA引物,）,DNA,聚合酶,I,、,II,、,III,(,校正活性,),DNA,聚合酶,III,(,主要的合成酶,),DNA,聚合酶,IV,和,V,分别由,dinB,和,umuD,2,C,基因编码，,主要在,SOS,修复过程中发挥功能。,DNA Polymerase IV&V,1,、都以,dNTP,为底物。,2,、都需要,Mg,2+,激活。,3,、聚合时必须有模板链和具有,3-OH,末端的引物链。,4,、链的延伸都方向为,53,。,DNA,聚合酶的共同点：,三种,DNA,聚合酶在决定,DNA,合成方面的共同特性,三种酶都只有,聚合酶的功能，而没有,聚合酶功能，说明,DNA,链的延伸只能从,5,向,3,端进行。,它们都没有直接起始合成,DNA,的能力，只能在引物存在下进行链的延伸，因此，,DNA,的合成必须有引物引导才能进行。,三种酶都有核酸外切酶的功能，可对合成过程中的错误进行校正，而保证,DNA,复制的高度准确性。,1.6 DNA,连接酶（,DNA Ligase,）,催化单链,DNA,切口上,5-P,和,3-OH,形成磷酸二酯键,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,2.,真核生物中,DNA,的复制特点,(1),特点：,2,),、冈崎片段长约200 bp.,3,),、真核生物DNA复制速度比原核慢。,4,),、真核生物染色体在全部复制完之前起点不再重新开始复制；而在快速生长的原核中，起点可以连续发动复制。真核生物快速生长时，往往采用更多的复制起点。,5,),、真核生物有多种（15种以上DNA聚合酶。,6,),、真核生物线性染色体两端有端粒结构，防止染色体间的,末端连接。由端粒酶负责新合成链5,RNA引物切除后的填补，亦保持,端粒的一定长度,。,1,),、真核生物染色体有多个复制起点，多复制眼，呈双向复制，多复制子；,真核生物的,DNA,复制只在,S,期进行,原核生物染色体,DNA,复制,真核生物染色体,DNA,复制,真核生物染色体有多个复制起点，多复制眼，呈双向复制，多复制子；,真核生物的每一个染色体皆含有许多个复制子。复制叉前进的速度大约只有大肠杆菌的1/20。可能原因是真核生物的DNA与组蛋白构成核小体，对复制叉的前进造成阻碍。人类的复制叉每秒约前进100bp；复制整个基因体需8h。果蝇的复制整个基因组仅需3-4min。,复制原点的特征：,啤酒酵母的ARS分布在100200bp的DNA序列中，ARS包括一个共有序列(A)和附加元件(B1-B3)。A元件在芽殖酵母中高度保守，是复制起始所必需的，富含AT、11bp序列，是复制起始识别复合物（origin recognition complex,ORC）结合复制起始位点所必需的，对起始因子在复制起始位点的组装起基本作用。,ORC,真核生物,DNA,聚合酶,真核生物也有多种DNA pol，通常细胞中有15种以上。在哺乳动物细胞中主要有5种DNA聚合酶，分别为DNA聚合酶、。,真核生物中的DNA聚合酶聚合反应机制与原核生物的相似。,（,2,）,.,端粒结构与功能,端粒：真核染色体两臂末端由特定的DNA重复序列构成的结构。使正常染色体端部间不发生融合，保证每条染色体的完整性。,端粒的功能：,维持染色体的完整性，决定细胞的寿命。若无端粒，两,个染色体末端很可能融合一起。,解决末端复制问题。端粒酶能与端粒作用，延伸其长度。,产生端粒问题的原因是,DAN,复制需要,RNA,引物，而,RNA,引物最终被降解，可能导致线状,DNA,端部不断变短，信息丢失。,端聚酶也称为端粒酶或端粒末端转移酶，由蛋白质和,RNA,两种成分组成，其中蛋白质具有逆转录酶的活性，其三维结构与其它逆转录酶有明显的相似性，而,RNA,含有,15,拷贝的端粒,DNA,重复序列，这一部分序列作为逆转录酶的模板。不同来源的端聚酶在,RNA,长度上变化很大，但它们都形成特定的二级结构，作为模板的那一部分序列处于单链状态，以方便它与端粒区的重复序列结合，并有效地充当逆转录的模板。,端聚酶的结构与功能,端聚酶的结构模型,初步研究表明，人体中生殖细胞的端粒长度保持不变，而体细胞的端粒长度则随个体的老化而逐步缩短。对此的一个推论是：人的生殖细胞具端粒酶的活力，体细胞则否。这一问题的解决无疑会有助于对生命衰老的认识,5,3,AAAACCCCAAAACCC,C,C,C,A,端粒酶,端粒酶活性与细胞分裂能力的关系,人体发育完成，端粒酶被抑制，细胞分裂次数与端粒长短呈正比,细胞分裂,端粒阈值,端粒长短,端粒酶活,Harley(1989),端粒的重复片段为探针检测,胎儿细胞株,婴儿细胞株,青年细胞株,老年细胞株,年龄,小 大,端粒长度,长 短,早衰性侏儒症的端粒明显较正常人短,“多莉”的衰老,癌细胞的无限繁殖,(,癌细胞中的端粒酶被激活,),正常细胞的寿命一定，,called,“,the Hayflick limit,”,治疗肿瘤的可能方式：关闭端粒酶基因，或者抑制端粒酶活性,延长人类寿命或者获得永生的希望：重新体细胞中的激活端粒酶活性,原核细胞的生长和繁殖速度由培养条件决定，在生长、繁殖速度不同的细胞中，DNA链的延伸速度是恒定的，不同的是复制叉的数量，速度快的复制叉的数量多，速度慢的复制叉的数量少；*,（1）起始物位点 编码调节蛋白,（2）复制起点,3.DNA,复制的调控,3.1,大肠杆菌染色体,DNA,的复制调控,复制子,E.coli,的,ori,C,结构模式,3.2 ColE1,质粒,DNA,的复制调控,ColE1质粒的特点：6646bp，2030个拷贝；其复制不依赖本身编码的蛋白质，而是依靠宿主的DNA聚合酶；,质粒DNA编码两个负调控因子Rop蛋白和反义RNA（RNA,1,），控制了起始DNA复制的RNA引物合成；*,Rop,蛋白能够提高,RNA,1,与引物前体的相互作用，从而加强了,RNA,1,的负调控作用；,3.3 真核细胞的复制调控,真核细胞的生活周期可分为4个时期：G1、S、G2和M期；,G1为复制前期；S为复制期；G2复制后期；M为分裂期；*,真核细胞,DNA,复制的,3,个水平的调控,（,1,）细胞生活周期水平调控或称为限制点调控,:,促分裂剂、致癌剂、外科切除可诱发细胞由,G1,期进入,S,期；,（,2,）染色体水平：决定不同染色体或同一染色体不同部位的复制子按一定的顺序在,S,期起始复制；,（,3,）复制子水平：包括转录活化、复制起始复合物的合成、引物体合成；,酵母染色体复制只发生在,S,期，各个复制子按专一的时间顺序活化，在,S,期的不同阶段起始复制；复制起点,ARS,片段中,14bp,的核心序列对复制也至关重要，这个区域的点突变使,ARS,失去复制起始功能。,第五节,DNA,的修复,不修复：,干扰转录和复制,导致突变,加速衰老,细胞的修复机制是必需的,修复机制是全方位的、高效的,1/1000,损伤躲过修复,稳定，但脆弱,被科学杂志评为,1994,年的年度分子,DNA,修复系统,DNA,修复系统,功能,错配修复,恢复错配,切除修复,切除突变的碱基或核苷酸,重组修复,复制后的修复,DNA,直接修复,SOS,系统,修复嘧啶二体或甲基化,DNA,DNA,的修复，导致变异,第六节,DNA,的转座,（一）基本概念：,DNA,的转座：由可移位因子介导的遗传物质重排现象，也称移位。,*,56同源重组,转座子（,transposon,）：存在与染色体,DNA,上可自主复制和位移的基本单位。,1983.,Barbara McClintock,DNA transposable elememt,冷泉港实验室,1983,年，,McClintock,由于在,50,年代提出并发现了可移动遗传因子（,jumping gene,或称,mobile element,）而获得,Nobel,奖。,（二）转座子的类型和结构特征,原核生物转座子的类型：,1,、插入序列,(insertional sequence,IS),2,、复合转座子,(composite transposon),3,、,TnA,家族,1,、插入序列,(IS),IS,是最简单的转座子，不含有任何宿主基因，它们是细菌染色体或质粒,DNA,的正常组成部分。,*,57,：,IS1,*,57,IS,特点,1.,很小,1kb,左右,编码转座酶,;,2.,末端有倒置重复序列,其外侧还有一小段正置重复序列,(,转座时,复制靶序列形成,),复合转座子是一类带有某些抗药性基因（或其他宿主基因）的转座子，其两翼往往是两个相同或高度同源的,IS,序列,2,、复合转座子,(composite transposon),复合型转座子,1.,两侧往往有两个相同或高度同源的,IS,序列,;,2.,两个,IS,序列不能单独移动,.,TnA,家族,TnA,家族没有,IS,序列、体积庞大,(5000bp,以上,),、带有,3,个基因，其中一个编码,-,内酰胺酶,(AmpR),，另两个则是转座作用所必须的。,复制性转座,(,三）转座作用的机制 *,反转录病毒整合入宿主,DNA,中的分子机制，其本质是转座。,（四）转座作用的遗传学效应,（1）,转座引起插入突变,（2）,转座产生新的基因,（3）,产生的染色体畸变 （,4,）引起的生物进化*,2025/9/12 周五,141,第七节,SNP,理论与应用,SNP,，中文翻译为单核苷酸多态性，指基因组,DNA,序列中由于单个核苷酸的突变而引起的多态性。,SNP,转换（,2/3,）：,C,T,，,A,G,颠换（,1/3,）：,CA,，,GT,，,CG,，,AT,p66,但事实上，转换的发生频率占多数，而且是,C-T,转换为主；其原因是,Cp G,的,C,是甲基化的，容易自发脱氨基形成,T,。,2025/9/12 周五,142,单倍型：位于染色体上某一区域的一组相关联的,SNP,等位位点被称作单倍型,(haplotype),。并倾向于以整体遗传给后代的单核苷酸多态的组合,又称单体型或单元型。,等位位点：染色体,DNA,同一位置上的每一个碱基类型叫做一个等位位点。,位置,基因编码区,（,cSNP,1/5),基因调控区（,pSNP),基因间随机非编码区（,rSNP),同义,cSNP,非同义,cSNP,p67