Transcript DNA的生物合成2
5、真核生物复制的起始 首先，在复制起始位点形成前复制复合物 （pre-replicative complex,Pre-RC）。 其次，Pre-RC 被激活，从而启动 DNA 的复制，并 防止一个细胞周期中复制的再次发生。 最后，Pre-RC 的激活主要依赖于两种促 S 期激酶（S phase promoting kinases） ORC：Origin Recognition Complex MCM：微染色体支持蛋白 “Licensing mechanisms” S期 DNA合成 二 DNA链的延长 （一） 原核生物DNA链的延伸 延伸反应： 在RNA引物的OH端由DNA聚合酶III，按碱基互补 规则延伸。 前导链的延长： 3’→5’方向这条链做模板链的 新链合成可以随着复制叉向前移动，连续合成 （5’ →3’）。 随从链的延长 • 5’ →3’ 方向这条链做模板链的新链合成则不 能随着复制叉向前移动进行连续合成，只能分 段合成一小段，这一小段新合成的DNA链称冈 奇片段。每一段新合成的一小段中有RNA，由 RNA酶水解，DNA聚合酶I补平，最后由连接酶 连接。 DNA链延长的要点 1) DNA聚合酶不能从头合成新链，只能在3’OH羟基端延长。复制起始时的3’-OH羟基端是 RNA。 2) 按照碱基互补原则合成新链。 3) 两条链同时复制，新链的延伸方向是5’→3’ ，一条链连续合成，称主导链，另一条链不连 续合成，称随从链（后随链）。 4) 复制以双向进行，复制正在进行的部位称 复制叉（Replication fork）, 复制叉从起始 点沿着DNA移动。 （二）SV40的DNA延伸 1、前导链的延伸 Pol 合成一段新链 在RFC和PCNA协助下， Pol Pol 转换 由Pol 完成全部前导链的合成 2、后随链的延伸 复制的基本模式 θ型：细菌 • 滚环式 φX174 • D型 线粒体DNA A protein: Phage 编码 滚环可形成多联体 线粒体DNA复制 裸露闭环双链状 D型复制 • H链：富含G • L链：富含C DNA聚合酶γ 三 复制的终止 • 对于线性DNA复制例如噬菌体等比较简 单，复制到分子末端终止。 • 对于环状的大肠杆菌DNA复制和真核生 物的DNA复制就比较复杂。 复制叉到达终止区，完成复制前，复制暂停。两个子 代DNA缠绕在一起，需要分开。 • 大肠杆菌： 有复制起始点，也有复制终止点。 细菌复制终止区含有多个约22bp的终止子 (terminator)位点，E. coli 有7个终止子位点。 Tus: Terminus utilization substance 端粒DNA： 线性DNA在复制完成后，其末端由于引物 RNA的水解而可能出现缩短，需要在端粒酶（ telomerase）的催化下，进行延长反应。 5 3 3 5 5 3 3 5 2009 诺贝尔生理/医学奖 • 端粒和端粒酶发现大事记 • 1939年，Barbara McClintock发现玉米细胞的染色体断裂 末端容易融合 1972年，James Watson提出染色体复制的末端隐缩问题 1978年，报道四膜虫的端粒序列 1982年，端粒的发现导致人工染色体的发明 1984年，报道酵母的端粒序列 1985年，报道四膜虫的端粒酶活性 1989年，报道四膜虫端粒酶的RNA亚基 1994年，报道酵母端粒酶的RNA亚基 1995年，报道酵母端粒酶活性 1996年，纯化了四膜虫端粒酶的催化亚基,遗传筛选到酵母 端粒酶的催化亚基 1997年，证明了四膜虫和酵母端粒酶的催化亚基 端粒酶(telomerase) • 依赖RNA的DNA聚合酶,其实质是一种逆转录酶。 • 能识别特定的端粒重复序列,以自身RNA的部分序列 (5’-CUAACCCUAAC- 3’)为模板,合成新的端粒重复 序列,使端粒延长，保持染色体的完整 • 不需要DNA 模板 • 已知的恶性肿瘤特异性最强的标志，永生细胞 • 生殖细胞，造血干细胞，ips等非肿瘤细胞 • 端粒的缩短与衰老 端粒酶以自身的RNA为模板， 在3'端合成DNA序列: RNA引物 端粒酶的爬行模型 母链藉非标准碱基配对回折 DNA聚合酶 进一步加工 端粒合成完成 逆向转录(Reverse Transcription) • 上世纪之初发现肿瘤RNA病毒。 • 64年，Temin报道了抑制DNA合成的放线菌素D 能抑制鸡肉瘤RNA病毒的繁殖。 • 据此提出鸡肉瘤RNA病毒的繁殖须经过形成DNA 的阶段。 70年Temin 和Baltimore 两个实验室同时从 (鸡)劳氏肉瘤病毒和小白鼠白血病病毒等致病 RNA病毒中发现，在逆转录病毒病毒颗粒中存 在着一种以RNA为模板合成DNA的酶，称为RNA 指导的DNA聚合酶。 • 遗传信息从RNA流向DNA，即以RNA为模板合成 DNA称为逆向转录，因此催化这一反应的酶又 称逆转录酶。 逆向转录酶 • 由逆转录病毒基因组中pol基因编码。是一种 多功能酶。 • 有以RNA为模板和以DNA为模板合成DNA的DNA聚 合酶活性。 • 需要RNA或DNA做引物； • 有核糖核酸酶H的活性（在逆转录酶的C端）， 能从3’→5’和从5’→3’水解RNA，使RNA与DNA的 杂交体分离。 逆向转录过程 三 1 2 逆向转录酶的生物学意义 用于合成cDNA. 建立cDNA文库(cDNA Library)，获得基因或探针。 与PCR连用 RT-PCR 互补DNA（complementary DNA, cDNA） 第四节 DNA复制的调控 • DNA复制是细胞增殖的一个关键事件，因此， DNA复制与细胞分裂是互相协调、互相调控的。 • 无论原核还是真核细胞中DNA复制都只发生在细 胞周期中特定时期，在一个细胞周期中，DNA必 须也只能复制一次。 一 大肠杆菌复制的调节 1、起始体 （ orisome，起始复合物，蛋白质ori C复合物）的装配 参与形成orisome的组分： Dna A, Hu, IHF，Fis，Dpi， Ici A， Cnu ，Hha，Rob，Seq A，Arc A 相互作用 ：Fis, IHF 调节 DnaA-ATP与oriC 的结合，HU调节DnaA, IHF 结合到oriC, 并增强 DnaA解链能力。 2、防止复制再次起始 (1) Dna A活性的抑制 Dna A-ADP 无活性 RIDA Dna A-ATP 有活性 RIDA：regulatory inactivation of DnaA (2) 降低游离形式的Dna A水平 ori C Dna A结合位点 dat A区 可以结合300分子的Dna A 在复制后极短时间内降低 Dna A 水平 (3)隔离 ori C • 摸板链 新合成链 甲基化 GATC •ori C CTAG 未甲基化 Seq A 特异识别,并结合于半甲基化ori C 的GATC序列, 使ori C被隔离,防止复制再次发生 二 真核生物复制起始调控 1、DNA复制起始的调控 2、细胞周期监控点机制 主要调控复制的起始 (一)、DNA复制起始的调节 1、复制起始点的选择 复制起始点数量的调控 真核细胞有多个复制起始点，起用多少起 始点决定于S期的长短。 S期短，起始点多。S期长，起始点少。 遗传性起始点： DNA上的起始元件 功能性起始点： 实际起始点 遗传性起始点多于功能性起始点 • 酵 母 ： 自 主 复 制 序 列 （ autonomously replicating sequeences, ARS) • 酵母细胞3号染色体上有14个遗传性复制起始 点，只有6个功能性复制起始点。 • 将Ura4基因处的强复制起始点突变后，在其附 近的弱复制起始点就成为强复制起始点。 Ura4：乳清苷酸脱羧酶 高等真核生物细胞至今未发现遗传性复制起始点 的序列特征，但确实存在功能性的复制起始点。 CHO细胞核 蟾蜍卵细胞抽提物 非随机起始，同正常 CHO细胞 损坏CHO细胞核或 裸露DNA 随机起始 复制起始点的选择与细胞核或染色体结构密切相关 2、 复制起始调控机制 （1）复制的允许机制（Licensing model） （2）蛋白激酶的调控 （1） 复制的允许机制（Licensing model） 一个细胞周期中DNA复制发生一次且只能发生一次 外源细胞核 蟾蜍卵细胞 Licensing control 复制 蟾蜍卵细胞复制 系统证明复制只 发生一次 “允许因子”防止 复制再次发生的 机制 复制后，Licensing Factor失活，失活的 Licensing Factor不能再次启动复制。核 膜破裂后（细胞分裂后），新的 Licensing Factor进入核，启动下一周期 的DNA复制。 （2） 蛋白激酶的调控 真核细胞复制起始绝对必须的蛋白激酶： CDK 和 Cdc7-Dbf4激酶 (1)、前复制起始复合物的形成 组成成分：ORC(Origin Recognition Complex) 含6种 蛋白质，Cdc6，RLF （Replication Licensing Factor, 复制允许因子）。 (2)、CDK激活前复制起始复合物 复制前复合物受蛋白激酶的调控，或变成起始复合物， 起始复制，或在复制过程中转变成复制后复合物，就 再也不能启动复制。 CDK（CyclinDependent), Cdc7-Dbf4激酶， 蛋白激酶A，蛋白磷酸 酶2A，都参与复制的起始，在不同阶段起作用。 前复制起始复合物 （pre-replicative complex，pre-RC) （在遗传性复制起始点装配） CDK 起始复合物（Replicative Complex,RC) （在功能性复制起始点形成） 在G1期向S期过渡期间，CDK活性很高。 • CDK同时又是防止在同一细胞周期中DNA复制再 次发生的因素,阻止复制起始复合物的组装。 • CDK对某些起始因子磷酸化,调控其在细胞内水 平。 （二） 复制检查点机制 识别DNA损伤或DNA复制阻断，通过复杂 的信号转导途径，阻断细胞周期，启动修复机 制，恢复基因组的完整性，修复后再进入细胞 周期。 在长期进化过程 中，细胞形成一 套保证细胞周期 中DNA复制和染 色体分配质量的 检查机制，即细 胞周期检查点 检查点： (1) G1 S期检查点 查看DNA有无损伤 DNA damage checkpoint 细胞周期暂时减慢或停止。 查看DNA复制的进度 DNA replication checkpoint 限制DNA复制速度 (2) G2 M 管理染色体的正确分配 assembly checkpoint Spindle 第五节 DNA损伤与修复 DNA 损伤类型和产生原因 1. 点突变 DNA聚合酶复制错误产 生 碱基自发的突变： 甲基化分析 2. 缺失或插入 核苷酸的缺失或插入 碱基的缺失 3. 化学修饰 氧化，甲基化，烷化 4. DNA分子交联 顺铂，丝裂酶素 5. DNA分子断裂 DNA单链断裂 DNA双链断裂：射线，重金属， 病毒整合，DNA重排 DNA损伤的修复 1. 核苷酸修复 dGTP氧化产生8－氧代dGTP 8oxodG 8－氧代dGTP三磷酸脂酶 水解 该酶突变：A：T－C：G突变高100－10000倍 dGTP 2. 直接修复 O6－甲基鸟嘌呤－DNA甲基转移酶（MGMT） 光修复 3. 碱基切除修复 DNA转葡糖基酶 4. 核苷酸切除修复 5. 错配修复 6. DNA链断裂的修复 非同源末端连接 non-homologous end-joining 同源重组修复 homologous recombination 7. 大肠杆菌SOS修复 Lex A， Rec A 修复完成后，DinI蛋白抑制 RecA作用 • （1）G1期checkpoint，确保DNA损伤不被复制。这一阶段 ，DNA损伤激活蛋白激酶ATM，ATR和c－ABL，导致P53 的磷酸化，并进一步上调P21 WAF1表达水平。P21可以结合 cyclin-CDK从而调节细胞周期。同时DNA损伤诱导Cdc25A 的泛素化和降解，从而阻止细胞周期进行； • （2）S期checkpoint，主要是当DNA损伤在G1期没有能够进 行修复时防止DNA复制； • （3）G2期checkpoint，主要功能是当细胞在S期晚期或者G2 期DNA受到损伤时，阻止细胞分离，从而防止DNA损伤传递 到子代细胞中； • （4）M期checkpoint，细胞在M期染色质将发生固缩形成纺 锤体结构，在后期姐妹染色体发生分离。当染色体受到损伤 时，细胞停滞在M期，染色体重新恢复到染色质，从而使细 胞有机会对DNA损伤进行修复后再进入M期。 DNA损伤与细胞凋亡 DNA损伤 ATM/ATR丝/苏氨酸激酶 CHK1，CHK2，P53等 抗凋亡基因 凋亡相关基因 线粒体膜通透性升高，细胞 色素C释放，激活Caspase 细胞凋亡 DNA损伤修复与疾病 • 外源性因素：UV，射线，化学试剂等 • 内源性因素：线粒体呼吸链产生活性氧 reactive oxygen species（ROS），NO 50000个损伤/天×细胞 细胞的保护机制 • 小分子如谷胱甘肽清除自由基 • 超氧化物歧化酶（SOD）：清除羟基自由 基等 缺失导致肿瘤发生 • • • • 遗传基因的突变，造成出生缺陷 肿瘤 影响细胞代谢，衰老 DNA损伤修复缺陷：胚胎致死或严重疾病 Fair-skinned people 一些免疫抑制剂 如环孢霉素A（ cyclosporin A） 、硫唑嘌呤（ azathioprine）能 插入到DNA链中 ，使得DNA对UV 的敏感性增强， 更容易导致DNA 损伤，同时影响 DNA损伤的核苷 酸切除修复。环 孢霉素A还能抑制 细胞凋亡，促进 肿瘤细胞生长， 更增加了UV引起 突变并致癌的风 险。 DNA氧化损伤和肿瘤 • MEF细胞体外培养的转化：DNA氧化损伤 • NIH3T3成纤维细胞过表达NADPH 氧化酶增加细 胞内过氧化物等产生，将促进细胞转化 过氧化物攻击DNA， 合成前体 着色性干皮病(xeroderma pigmentosum) • • • • 隐性遗传性疾病 核苷酸切除修复相关基因突变 对于光照极度敏感 患皮肤癌的几率比常人高2000倍 科凯恩综合症(Cockayne syndrome) • 生长缺陷和渐行性的智力迟缓 范尼可贫血(Fanconi anemia) • 同源重组修复的缺陷 • DNA断裂或者交联形成损伤进行修复，其 中FANC蛋白的突变将导致贫血 • 造血功能降低，并伴有身体的畸形 • 对DNA交联试剂如丝裂霉素C，顺铂敏感 Exposure to environmental tobacco smoke in the workplace resulted in a 63% increase in white blood cell DNA 8oxodG levels.