核酸的生物合成：複製作用 第 9 章 Biosynthesis of Nucleic Acids : Replication CATLOG 9.1 細胞中遺傳訊息的傳遞 9.2 DNA 的複製：一些基本觀念 9.3 DNA 聚合酶的反應 9.4 DNA 複製需要許多蛋白質共同作用 9.5 校正作用與修補 9.6 真核生物中 DNA 的複製作用 第 9 章 核酸的生物合成：複製作用 Biosynthesis of Nucleic Acids : Replication CATLOG Figure Table 生化關聯 重要訊息

9.1細胞中遺傳訊息之傳遞 DNA之鹼基序列含遺傳密碼(genetic code) 一個DNA分子變成兩個之過程稱為複製(replication) 細胞合成基因產物時須RNA之參與；以DNA作為模版合成RNA稱為轉錄(transcription)，即將DNA之鹼基序列轉移至RNA

在蛋白質合成中有三種RNA(mRNA、tRNA及rRNA)參與，以mRNA最重要 即mRNA之鹼基序列決定蛋白質之胺基酸序列，此過程稱為轉譯(translation) 反轉錄病毒(retrovirus)以RNA作為遺傳物質，此種病毒的反轉錄酶(reverse transcriptase)能以RNA為模版合成DNA→Fig.9.1

9.2DNA的複製：一些基本概念 雙股DNA複製時面對之三大挑戰 1.如何分開雙股DNA且維持DNA之穩定 3.如何預防複製之錯誤

※半保留式複製 半保留式複製：複製產生的新DNA分子中，一股來自原本的DNA分子，另一股則是新合成→Fig.9.2

實驗分析方法：密度-梯度離心法→Fig.9.3

※雙向複製 DNA複製時由複製起始點(origin of replication,OriC)進行 大部分生物之DNA複製以雙方向方式進行→Fig.9.4

9.3DNA聚合酶的反應 ※DNA的一股是半斷續 (Semidiscontinuously)合成 在細胞複製DNA時主要的挑戰為以5’→3’之DNA為模版時如何進行5’→3’方向之合成→Fig.9.5

※大腸桿菌之DNA聚合酶 新合成之DNA鏈由5’往3’方向被合成，即DNA鏈之3’端羥基為親核基，DNA聚合酶將新的核苷酸之5’-磷酸根與3’-羥基連結，形成新的磷酸酯鍵→Fig.9.6

大腸桿菌DNA聚合酶之特性→Table9.1

聚合酶I及II為單一胜肽鏈而聚合酶III為複數次單位蛋白質 聚合酶III之次單位組成及功能→Table9.2

α，ε，與θ次單位：聚合反應及3’外切核酸酶活性 β-次單位二聚體：負責與DNA之結合→Fig.9.7

γ複合體(含γ-,δ-,δ’-,χ-,與ψ次單位)：幫助β-次單位在DNA外圍形成夾子狀，使聚合反應進行時可讓β-次單位滑行

三種DNA聚合酶均需引子(primer)才能進行聚合反應，而引子為RNA DNA聚合酶反應需要→Fig.9.8

三種DNA聚合酶在DNA複製時所扮演之角色： DNA聚合酶I：修補DNA DNA聚合酶III：聚合新的DNA鏈 DNA聚合酶II：不詳，可能是修補DNA

3’→5’外切核酸酶活性：為校正功能，複製時將錯誤的核苷酸移除以正確的核苷酸取代，一次校正一個核苷酸 5’→3’外切核酸酶活性：在修補時去除一小段核酸

9.4 DNA複製需要許多蛋白質的共同作用

※解開雙股螺旋 DNA複製時分開雙股DNA所遭遇的兩個問題： 1.如何連續的將DNA之雙股螺旋鬆開 2.如何保護暴露於核酸酶之單股DNA區域

DNA旋轉酶(DNA gyrase)之催化作用→Fig.9.9

DNA旋轉酶在DNA複製時所扮演之角色為在DNA鏈上形成一個缺口，造出一個旋轉點(swivel point)，此旋轉點在複製叉(replication fork)之前端不斷的打開及封閉DNA鏈→Fig.9.10

解旋酶(helicase)促進雙股鬆開，包含有：DnaB蛋白質、 rep蛋白質 單股結合蛋白(SSB蛋白)保護單股DNA

※引子合成酶的作用 DNA複製時以RNA當作引子(primer) RNA不需引子藉由重新合成程序產生 引子由引子酶(primase)以DNA當模版來合成 引子酶首先是在大腸桿菌被發現，分子重量約為60,000daltons，每個細胞含有50~100個。

引子酶與蛋白質分子在複製叉結合形成引導體(primosome)

※新DNA股的合成與連接 新的DNA股由DNA聚合酶III合成 不管是領先股(leading strand)或落後股(lagging strand)伸長方向為5’→3’ DNA聚合酶III與引導體連結成複製體(replisome) 當複製叉往前移動時RNA由DNA聚合酶I以5’-外切核酸酶活性去除，缺口由DNA聚合酶I以聚合酶活性補上去氧核糖核苷酸

Nick由DNA連接酶連接→Table 9.3

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9.5 校正作用與修補 DNA複製在每個細胞一代只發生一次，為防止突變(mutation)發生，複製時之正確性愈高愈好。 複製時錯誤發生之頻率為109~1010鹼基/次 DNA複製時萬一有不正確之核苷酸被加入以校正作用移除。 因形成氫鍵的失誤導致錯誤核苷酸嵌入成長中DNA的比例為104~105鹼基對/次，由DNA聚合酶I以3’-外切核酸酶活性移除後加入正確的核苷酸(Klenow片段)→Fig.9.11

複製進行中， DNA聚合酶I以剪與貼(cut-and-patch)方式利用5’-外切核酸酶活性移除RNA引子或錯誤的DNA。 再利用DNA聚合酶活性填補空隙，此過程稱為缺口轉譯作用(nick translation)→Fig.9.12

突變劑(mutagens)中之紫外線所造成之影響→Fig.9.3

自由基引起之化學性傷害→Fig.9.14

錯誤配對修復作用(mismatch repair)→Fig.9.15

鹼基刪除修復作用→Fig.9.16

核苷酸刪除修復作用(nucleotide excision repair)→9.17 缺陷時產生著色性乾皮症

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9.6 真核生物DNA之複製 真核生物DNA之複製比原核生物複雜之處： 1.多個複製起始點 2.配合細胞分裂週期之複製時間控制→Fig.10.18 3.更多蛋白質與酵素之參與

※細胞週期調控複製作用 以酵母細胞為例→Fig.10.19

※真核細胞之DNA聚合酶 動物體中發現之DNA聚合酶→表10.4 增殖細胞核抗原(proliferating cell nuclear antigen, PCNA)之作用→Fig.10.20

※真核生物之複製叉口 原核與真核生物DNA複製之差異→表10.5 →Fig.10.21

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p.307 端粒酶與癌症