第十四章 核酸的生物合成 nucleic acid biosynthesis

本章主要内容 DNA的生物合成 RNA的生物合成

第一节 DNA的生物合成

中心法则（ central dogma） 遗传信息传递方向的规律 基因表达： 是指将遗传信息由DNA转录为RNA、再翻译成蛋白质的过程

一、复制（replication） （一）DNA复制的基本原则 半保留复制 复制起始点（ori) 双向复制 半不连续复制

半保留复制 semiconservative replication AGAACTTAG TCTTGAATC 亲代 AGAACTTAG TCTTGAATC AGAACTTAG TCTTGAATC 子代

DNA半保留复制的实验

双向复制 从复制起始点向2个方向进行双向复制

半不连续复制（semidiscontinous replication) 冈崎片段

（二）参与DNA复制的主要酶类 解旋、解链酶类 DNA拓扑异构酶 解链酶 单链结合蛋白 引物酶 DNA聚合酶 DNA连接酶

单链结合蛋白（single-stranded DNA-binding protein） 1、解旋、解链酶类 解链酶(helicase) 解开DNA双链中氢键，消耗ATP 单链结合蛋白（single-stranded DNA-binding protein） 与单链DNA结合，保持模板处于单链状态， 保护复制中的DNA单链不被核酸酶降解。 DNA拓扑异构酶（topoisomerase) 复制前：松弛DNA超螺旋，克服扭结现象 复制后：TopoII作用下，重新引入超螺旋（需ATP供能）

DNA拓朴异构酶 解链酶 单链DNA结合蛋白 SSB 解开、理顺 DNA链、维持DNA单链状

2、引物酶(primase) DNA聚合酶合成新DNA时需要引物（一小段RNA） 引物RNA3’-OH末端作为DNA合成的起始点 引物酶与多种起始蛋白结合形成引发体 引物酶催化合成引物（primer)

3、DNA聚合酶（DNA polymerase) 催化底物（dATP、dGTP、dCTP、dTTP）聚合 形成3′,5′磷酸二酯键 新链延长方向5 / →3 / 具核酸外切酶活性

原核DNA聚合酶 3′→5′外切酶活性，参与DNA修复校正 5′→3′外切酶、聚合酶活性， 切除引物并填补空隙 具有切口平移作用 ①polⅠ： ②pol Ⅱ： 生理功能尚不清楚，无酶Ⅰ、Ⅱ时起作用 复制延长中真正起复制作用的酶 具3/-5/核酸外切酶活性，校正作用 ③pol Ⅲ：

DNA复制高保真性的机制 DNA模板指导 正确选择碱基配对 校读功能

4、DNA连接酶(DNA ligase) 通过3/，5/-磷酸二酯键连接互补链中DNA片段 不能连接单独存在的DNA或RNA单链。

（三）DNA的复制过程 模板DNA解旋与解链，形成复制叉； 形成引发体，合成RNA引物； 按A=T、G=C碱基配对规则，合成DNA； 切除引物、填补空隙、形成冈崎片段； DNA连接酶连接封口，形成长链DNA； 6. 在Tus蛋白参与下，终止复制。 (terminus utilization substance)

5/ 3/ DNA复制示意图 3/ 5/ 3/ 5/ 前导链 随后链 拓扑异构酶 解链酶 单链结合蛋白 引物酶 DNA聚合酶Ⅲ 冈崎片段 5/ 3/ DNA复制示意图 拓扑异构酶 解链酶 单链结合蛋白 引物酶 DNA聚合酶Ⅲ 冈崎片段 DNA聚合酶Ⅰ DNA连接酶 3/ 5/ 3/ 5/ 前导链 随后链

二、逆转录(reverse transcription) 概念：以RNA为模板合成DNA的过程 酶：逆转录酶 依赖RNA的DNA聚合酶功能 RNaseH功能（水解RNA-DNA杂交链） 依赖DNA的DNA聚合酶功能

逆转录过程 ---- ---- -- -- ---- -- -- -- ---- ---- -- -- ---- ---- -- -- cDNA整合入宿主细胞DNA分子中 ---- -- -- ---- -- -- -- ---- ---- -- -- ---- ---- -- -- 逆转录酶 ---- ---- 逆转录酶 -- -- ---- ---- RNaseH -- -- + ---- ---- -- -- ---- ---- -- -- ---- ---- -- -- ---- ---- -- -- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- 病毒RNA RNA-cDNA 杂交体 cDNA 双股cDNA 宿主细胞 DNA分子 ---- ---- 整合了cDNA的宿主 细胞DNA分子 意义： 对中心法则的补充 有助于基因工程的实施

HIV生活史

三、DNA复制与端粒、端粒酶 (telomere、telomerase) 端粒: 是由蛋白质和DNA紧密结合的结构 端粒酶: 是一种自身携带模板RNA的逆转录酶 端粒酶特殊的生物学功能： 1. 端粒酶活性与遗传信息的稳定性； 2. 端粒酶活性与细胞衰老； 3. 端粒酶活性与肿瘤

端粒酶合成端粒的爬行模式 3’ 5’ 3’ 5’ 3’ 5’ Further polymerization C U A G AAAACCCCAAA 3’ 5’ DNA5’----TTTTGGGGTTTTG-OH(3’) 3’---- 端粒酶合成端粒的爬行模式 C U A G AAAACCCCAAA 3’ 5’ DNA5’----TTTTGGGGTTTTGGGGTTTT 3’---- G-OH(3’) C U A G AAAACCCCAAA 3’ 5’ DNA5’----TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTG-OH(3’) 3’---- Further polymerization

四、DNA损伤（突变）与修复 自发突变(spontaneous mutation) 人工诱变(induced mutation) 突变

（一）引起突变的因素 物理因素：紫外线、各种辐射 化学因素：亚硝酸盐、烷化剂、芳香烃类 生物因素：RNA病毒等

（二）突变的类型 点突变(point mutation) （ 错配） 框移突变(frameshift mutation) 转换(transition) ：A  G 或 C  T 颠换 (transversion)：嘌呤碱  嘧啶碱 框移突变(frameshift mutation) 缺失、插入1个碱基 重排(rearrangement)

镰刀形红细胞性贫血 血红蛋白中遗传信息的异常 正常 DNA …TGT GGG CTT TTT… mRNA …ACA CCC GAA AAA… HbA（β链） （氨基末端）苏 脯 谷6 谷 赖 异常 CAT GUA HbS（β链） 缬6

HbA与HbS比较

由基因重排引起的两种地中海贫血基因型

（三）DNA的损伤修复 光复活 切除修复 重组修复 SOS修复

光修复(photoreactivation) 紫外辐射 DNA链上两个胸腺嘧啶残基间形成二聚体 光修复酶

核酸内切酶 切除修复 (excision repair) DNApol Ⅰ，DNA ligase

重组修复 (recombinational DNA repair）

第二节 RNA的生物合成（转录） (transcription)

一、参与转录的主要物质 转录模板 RNA聚合酶 底物 终止因子

（一）转录模板 转录的模板：DNA双链中的一条 模板链：DNA双链中具有转录功能的一条链（template strand） 编码链：贮存有遗传信息与模板链互补的一条链（coding strand）

不对称转录（asymmetric transcription） 5/ 3/ 3/ 5/ 不对称转录： 1、RNA分子上只有一条可转录 2、模板链并不总是在同一单链上 RNA合成方向：5/→3/

DNA 5´……G G A G T A C A T G T C …3´（编码链，+, ） 3´……C C T C A U G U A C A G …5´（模板链，-，） ↓（转录） 5´…… G G A G U A C A U G U C ……3´ mRNA ↓（翻译） N…… Ala …Val… His… Val … C 多肽

（二）RNA聚合酶——原核细胞 (RNA polymerase) 亚基 功能 2 决定哪些基因被转录  与转录全过程有关 ′ 结合DNA模板  辨认起始点 全酶：核心酶（ 2  ′） + 起始因子（）

（二）RNA聚合酶——真核细胞 类型 细胞内定位 催化转录产物 对鹅膏蕈碱的反应 Ⅰ 核仁 rRNA前体 耐受 类型 细胞内定位 催化转录产物 对鹅膏蕈碱的反应 Ⅰ 核仁 rRNA前体 耐受 Ⅱ 核质 mRNA前体 极敏感 Ⅲ 核质 5SrRNA tRNA 中度敏感

（三）底物 RNA聚合酶的底物（RNA合成的原料）： ATP、GTP、CTP、UTP

二、转录过程 （原核生物） 转录起始 2、转录延长 3、转录终止

转录起始(transcription initiation) ①RNA 聚合酶识别、结合启动子 -10核苷酸——TATAAT（Pribnow 盒）富含AT -35核苷酸——TTGACA 启动子 ②形成第一个3 / ，5/-磷酸二酯键，σ因子脱离全酶 （第一个核苷酸：GTP或ATP）

转录起始动画

2、转录延长(transcription elongation) 核心酶催化，在模板指导下沿5/-3/方向延伸RNA链 转录空泡

3、转录终止（transcription termination） 非依赖于ρ因子的终止子 依赖于ρ因子的终止子 终止子 terminator

非依赖ρ因子的终止 1、GC丰富，重复序列 2、形成发夹样结构

依赖与ρ因子的终止

转录全过程

真核细胞mRNA前体的加工 mRNA的前体：核内不均一RNA（hnRNA） (hetero –nuclear RNA) 转录过程中的5/端加帽与3/端加尾的修饰 2. 切除内含子(intron)，拼接外显子(exon) 非编码序列 编码序列

m7GpppNm poly A 帽子结构 尾巴结构

DNA和RNA生物合成的比较(1) 复制 转录 1. 原料 dNTP NTP 2. 模板 DNA两条链 DNA一条链 3. 引物 需要RNA引物 不需引物 4. 新连延伸方向 5ˊ→3ˊ 5ˊ→3ˊ 5. 主要酶类 DNA聚合酶 RNA聚合酶 解旋、解链酶类 （α2ββˊσ） 引物酶 终止因子(ρ) DNA连接酶

DNA和RNA生物合成的比较(2) 复制过程 转录过程 模板DNA解旋与解链， σ因子辨认起始点, 形成复制叉； 带动全酶解开DNA双链, 复制过程 转录过程 模板DNA解旋与解链， σ因子辨认起始点, 形成复制叉； 带动全酶解开DNA双链, 形成引发体， 促使转录起动； 合成RNA引物； σ因子随之脱落下来； 3. 按A=T、G=C碱基配对 在核心酶催化下, 规则，合成DNA； 使RNA链不断延长； 切除引物、填补空隙、 ρ因子终止链延长。 形成冈崎片段； DNA连接酶连接封口， 形成长链DNA； 6. 在Tus蛋白参与下， 终止复制

《核酸的生物合成》课堂练习 基因表达包括下列过程 DNA的半保留复制包括下列要点 复制 B. 转录 C. 翻译 逆转录 E. 以上都是 以其中一条单链为模板 C. 严格遵守G ≡ C 、A = U碱基配对法则 合成的子代DNA中，只有一条链是新合成的 E. 子代DNA中只有一条链的碱基排列顺序与亲代完全一样

DNA复制过程中发生下列酶促反应 4. 文献刊登的基因序列，通常指的是 5. 辨认转录起始位点的是 解链酶将DNA双链局部解开为两条单链 B. 引物酶催化合成RNA引物 C. DNA Pol Ⅲ催化合成DNA D. DNA Pol Ⅰ切除引物、填补空隙 E. DNA连接酶将冈崎片断连接成长链DNA 4. 文献刊登的基因序列，通常指的是 模板链 B. 编码链 C. DNA两条链 mRNA E. 领头链 5. 辨认转录起始位点的是 亚基 B. σ因子 C. 亚基 D. ´亚基 E. 核心酶

7.镰刀型红细胞贫血是由于－珠蛋白基因发生下列突变 DNA Pol Ⅰ具有下列功能，错误的是 A. 当复制发生错误时， 发挥校读（正）作用 B. 在复制过程中，发挥切除引物，填补空隙作用 C. DNA损伤时，可以发挥切除并修补损伤DNA的作用 D. 在体外，具有“切口平移”作用 E. DNA PolⅠ具有5´→3´、 3´→5´外切酶活性 和5´→3´、 3´→5´聚合酶活性 7.镰刀型红细胞贫血是由于－珠蛋白基因发生下列突变 点突变 B. 碱基缺失 C. 碱基插入 D. 框移突变 E. 胸腺嘧啶（T）被颠换为腺嘌呤（A)