天津科技大学分子生物学复习总结(2)

本站小编免费鑫辉娱乐官方app下载网/2015-09-20

1、结构简炼原核DNA分子的绝大部分是用来编码蛋白质的，只有很小一部分控制基因表达的序列不转录。如在ΦX174中不转录部分只占4%左右（217/5386),T4 DNA中占5.1%（282/5577)。
2、存在转录单元原核生物DNA序列中功能相关的RNA和蛋白质基因，往往丛集在基因组的一个或几个特定部位，形成转录单元并转录产生含多个mRNA的分子，称为多顺反子mRNA。
3、有重叠基因一些细菌和动物病毒存在重叠基因，同一段DNA能携带两种不同蛋白质的信息。1973年，Weiner和Weber在研究一种大肠杆菌RNA病毒时发现，有两个基因从同一起点开始翻译，一个在400bp处结束，而在3%的情况下，翻译可一直进行下去直到800bp处碰到双重终止信号时才停止。1977年，Sanger正式发现了重叠基因：ΦX174感染寄主后共合成9个蛋白质，相对分子质量约2.5×105，相当于6 078个核苷酸，而病毒DNA本身只有5 375个核苷酸。Sanger在弄清ΦX174 DNA的全部核苷酸序列及各个基因的起迄位置和密码数目以后发现，9个基因中有些是重叠的。
掌握染色体的组成及其类型。2. 2 DNA的结构
2. 2. 1 DNA的一级结构
DNA又称脱氧核糖核酸，是deoxyribonucleic acid的简称，它是一种高分子化合物，其基本单位是脱氧核苷酸。在DNA分子中，磷酸和脱氧核糖是不变的，而4种含氮碱基即腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）是可变的。
DNA链的基本特点是：
1)DNA是由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成的。
2)DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧，构成基本骨架，碱基排列在内侧。
3)两条链上的碱基通过氢键相结合，形成碱基对。
多聚核苷酸链中新生磷酸糖苷键的产生过程
单核苷酸5‘-磷酸基团向核酸链的3’-OH发起进攻
2. 2. 2 DNA的二级结构
DNA的一级结构是指4种核苷酸的连接及其排列顺序，表示了该DNA分子的化学构成。DNA不仅具有严格的化学组成，还具有特殊的高级结构，它主要以有规则的双螺旋形式存在。
DNA的二级结构是指两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构。通常情况下，DNA的二级结构分两大类：一类是右手螺旋，如A-DNA和B-DNA；另一类是左手螺旋，即Z-DNA。
DNA的反向平行双螺旋结构
2. 2. 2. 2 DNA二级结构中左手螺旋——Z-DNA的研究
B-DNA是最常见的DNA构象，A-DNA和Z-DNA可能具有不同的生物活性。
2. 2. 3 DNA的高级结构
DNA的高级结构是指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。超螺旋结构是DNA高级结构的主要形式，可分为正超螺旋与负超螺旋两大类，它们在特殊情况下可以相互转变，
课外作业：掌握DNA的一级和高级结构
2. 3 DNA的复制
生命的遗传实际上是染色体DNA自我复制的结果，而染色体DNA的自我复制主要是通过半保留复制(Semi-conservative)来实现的，是一个以亲代DNA分子为模板合成子代DNA链的过程。
由于DNA是遗传信息的载体，因此亲代DNA必须以自身分子为模板来合成新的分子——准确地复制成两个拷贝，并分配到两个子代细胞中去，才能真正完成其遗传信息载体的使命。
由于DNA分子由两条多核苷酸链组成，两条链上的碱基——G只能与C相配对，A只能与T相配对，所以，两条链是互补的，一条链上的核苷酸排列顺序决定了另一条链上的核苷酸排列顺序。
DNA的半保留复制（semi-conservative replication）
DNA在复制过程中，每条链分别作为模板合成新链，产生互补的两条链。这样新形成的两个DNA分子与原来DNA分子的碱基顺序完全一样。因此，每个子代分子的一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的，这种复制方式被称为DNA的半保留复制。
DNA的半保留复制保证了DNA在代谢上的稳定性，与DNA的遗传功能相符合。
DNA的半不连续复制（semidiscontinuous replication）
由于DNA双螺旋的两条链是反向平行的，因此在复制叉附近解开的DNA链一条是5’→3’方向，另一条是3’→5’方向，两个模板极性不同。而所有已知DNA聚合酶的合成方向都是5’→3’，两条链无法同时进行复制。
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。
半不连续复制Semi-discontinuous replication:冈崎片段Okazaki fragment
1)用3H脱氧胸苷短时间标记后提取DNA，得到不少平均长度为2-3kb DNA片段。
2)用DNA连接酶温度敏感突变株进行实验，在连接酶不起作用的温度下，有大量小片段累积，说明复制过程中至少有一条链首先合成较短的片段，然后再生成大分子DNA。
3)前导链的连续复制和滞后链的不连续复制在生物界是有普遍性的，因而称之为DNA的半不连续复制。
2. 3. 2 复制的起点、方向和速度
复制时，双链DNA要解开成两股链分别进行，所以，复制起点呈叉子形式，被称为复制叉(Replication fork)。DNA的复制是由固定的起始点开始的。
一般把生物体的复制单位称为复制子（replicon），一个复制子只含一个复制起点。
细菌、病毒和线粒体的DNA分子都是作为单个复制子完成复制的；真核生物基因组可以同时在多个复制起点上进行双向复制，也就是说它们的基因组包含有多个复制子。
实验结果表明，无论是原核生物还是真核生物，DNA的复制主要是从固定的起始点以双向等速复制方式进行的。复制叉以DNA分子上某一特定顺序为起点，向两个方向等速生长前进。
放射性标记实验证明DNA的复制是从固定的起始点双向等速进行的
2.3.3复制的几种主要方式
2.3.3.1 线性DNA双链的复制
2.3.3.2 环状DNA双链的复制
(1)θ型
(2) 滚环型(rolling circle)
(3) D-环型(D-loop)
课外作业掌握DNA半保留复制的过程和类型。
2.4.1 原核生物DNA的复制特点
大肠杆菌基因组一双链环状DNA分子的形式存在，其DNA复制的中间产物可形成一个θ，复制从定点开始双向等速进行，复制起始区位于其遗传图的84min附近。复制起始后，两个复制叉在距起始点180°处会合。
2.4.1.1 DNA双螺旋的解旋
首先在拓扑异构酶Ⅰ的作用下解开负超螺旋，并与解链酶共同作用，在复制起点处解开双链。解链过程必须有SSB蛋白来稳定以解开的单链，以保证该局部结构不会恢复成双链。接着，由引发酶等组成的引体迅速作用于两条单链DNA上。不论是前导链还是滞后链，都需要一段RNA引物以开始子链DNA的合成。
由大肠杆菌oriC复制起始点处引发的DNA复制过程
(1)单链结合蛋白（SSB蛋白）
T4噬菌体的32 kDa蛋白可以结合单链DNA，它还能使双链DNA在远低于解链温度时分开。
大部分原核SSB蛋白与DNA结合时还表现出协同效应：如第一个SSB蛋白结合到DNA上去的能力为1，第二个SSB结合能力则可高达103。
SSB蛋白的作用是稳定单链DNA。
(2)DNA解链酶（DNA helicase）
大部分DNA解链酶都沿滞后链模板的5‘→3’方向并随着复制叉的前进而移动，只有Rep蛋白沿前导链模板的3‘→5’方向移动。
因此，Rep蛋白和其他DNA解链酶分别在DNA的两条母链上协同作用，解开双链DNA。
2. 4. 1. 3 复制的引发和终止
DNA聚合酶只能延长已存在的DNA链，而不能从头合成DNA链，那么，新DNA的复制是怎样开始的呢？
研究发现，DNA复制时，往往先由RNA聚合酶在DNA模板上合成一段RNA引物，再由DNA聚合酶从RNA引物3’端开始合成新的DNA链。滞后链的引发过程比较复杂，需要多种蛋白质和酶的协同作用，还牵涉到冈崎片段的形成和连接。
滞后链的引发过程由引发体（primosome）来完成。引发体由6种蛋白质n、n’、n’’、Dna B、C和I共同组成，只有当引发前体（preprimosome）把这6种蛋白质合在一起并与引发酶（primase）进一步组装后形成引发体，才能发挥其功能。
引发体在滞后链分叉的方向上前进，并在模板上间断性引发生成滞后链引物---RNA短链，再由DNA聚合酶III作用合成DNA，直至遇到下一个引物或冈崎片段为止。由RNase H降解RNA引物并由DNA聚合酶I将缺口补齐，再由DNA连接酶将两个冈崎片段连在一起形成大分子DNA。
链的终止需要Tus蛋白参与
当复制叉前移，遇到20bp重复性终止子序列（Ter）时，Ter-Tus复合物能阻挡复制叉的继续前移，等到相反方向的复制叉到达后在DNA拓扑异构酶IV的作用下使复制叉解体，释放子链DNA。
链的终止（Termination）
2.4.1.4 DNA聚合酶
大肠杆菌中主要有DNA聚合酶I、II、III。
DNA聚合酶的共同点：
1、都以dNTP为底物。2、都需要Mg2+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5'→3'。
DNA聚合酶I不是复制大肠杆菌染色体的主要聚合酶，它有5’→3’核酸外切酶活性，保证了DNA复制的准确性。它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，若以每分钟酶促核苷酸掺入DNA的转化率计算，只有DNA聚合酶I的5%，所以也不是复制中主要的酶。目前认为DNA聚合酶II的生理功能主要是起修复DNA的作用。
DNA聚合酶III包含有7种不同的亚单位和9个亚基，其生物活性形式为二聚体。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。
2.4.2 真核生物DNA的复制特点
真核生物DNA的复制子被称为ARS（autonomouslyreplicating sequences），长约150bp左右，包括数个复制起始必需的保守区。真核生物DNA复制叉的移动速度大约只有50bp/秒。因此，人类DNA中每隔30,000-300,000bp就有一个复制起始位点。
真核细胞中有5种DNA聚合酶，分别称为DNA聚合酶α、β、γ、δ和ε。
DNA聚合酶的主要作用：
DNA聚合酶α主要参与引物合成。
DNA聚合酶β活性水平稳定，主要在DNA损伤的修复中起作用。
DNA聚合酶δ是主要负责DNA复制的酶。
DNA聚合酶ε的主要功能可能是在去掉RNA引物后把缺口补全。
2. 4. 3 DNA复制的调控（了解）
DNA链延伸的速度在同种生物的不同细胞中几乎是恒定的，只是复制叉的数量不同。
迅速分裂的细胞具较多的复制叉，而分裂缓慢的细胞复制叉较少并出现复制的间隙。
复制起始频率的直接调控因子是蛋白质和RNA。
ColEl质粒DNA的复制调控
ColEl是一个6646碱基对的小质粒，在宿主细胞内有20～30个拷贝，其DNA的复制完全依靠宿主DNA聚合酶。
质粒DNA编码两个负调控因子Rop蛋白和反义RNA（RNA1），它们控制了起始DNA复制所必需的引物合成。
大肠杆菌染色体DNA的复制调控
染色体的复制与分裂一般是同步的，但二者并不直接偶联。
在一定生长速度范围内，细胞与染色体的质量之比相对恒定。
复制子由起始物位点和复制起点两部分组成。起始物位点编码复制体调节蛋白，复制起点与调节蛋白相互作用并启动复制。调节蛋白通过与复制复合物的相互作用确定复制起始频率和复制方式。
复制起点有OriC和OriH两种。
真核细胞DNA的复制调控
细胞生活周期水平调控（限制点调控）：决定细胞停留在G1期还是进入S期(by Cyclins, Cdc(Cell Division Cycle) gene products)。
染色体水平调控：决定不同染色体或同一染色体不同部位的复制子按一定顺序在S期起始复制。
复制子水平调控：决定复制的起始与否，并且是高度保守的。
课外作业DNA复制的生化机制。
DNA的损伤与修复(DNA Mutation & Repair)
2.5.1 DNA的损伤（Mutation ）
Small-scale mutations(微突变) a.substitutation（替换）b. deletion （缺失）c. insertion （插入）d. Exonskipping（外显子轮空突变）•The chromosome abnormality（染色体变异）a. Numerical abnormality: Triploidy, Monosomy, Trisomy b. Structural abnormality: Two breaks in a single chromosome can causeinversion, deletion or ring structure.

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