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1 分子生物学 第二章染色体与 DNA 夏玉琼 9/26/2017

2 西安电子科技大学生命学院 2 夏玉琼 目录 2.1 染色体 2.2 DNA 的结构 2.3 DNA 的复制 2.4 原核生物和真核生物复制的特点 2.5 DNA 的修复 2.6 DNA 的转座

3 3 大肠杆菌中 DNA 的修复系统 DNA 的错配修复 修复 X 射线和 γ 射线引起的碱基误读 DNA 的碱基切除修复 : 修复碱基突变 DNA 的核苷酸切除修复 : 修复核苷酸损坏 DNA 的重组修复 : 复制后修复 DNA 的直接修复 直接切除甲基 : 致癌剂导致的 DNA 烷基化 直接还原成单体 :UV 导致的嘧啶二体 DNA 的 SOS 修复 : 应急修复

4 4 DNA 的错配修复 Dam 甲基化酶可在母链的 GATC 序列中的 腺嘌呤 N 6 位置上引入甲基 母链子链

5 5 DNA 的错配修复 母链 GATC, 子链 A 甲基化, 在 G 上游切开子链 Exonuclease I breaks apart singlestranded DNA in a 3'=>5' direction Exonuclease VII catalyses exonucleolytic cleavage in either 5'-3' or 3'-5' direction to yield 5'- phosphomononucleotides. From Wikipedia

6 6 为什么会错配 X 射线和 γ 射线的照射 :H 2 O OH 1. 造成单链或双链 DNA 的断裂 2. 改变一个碱基, 最常见的是 G 变成 oxog, 误读成 T,GC 变成 TA

7 7 碱基切除修复 (BER) 损伤的核苷酸 AP 位点 糖苷水解酶移除碱基 AP 位点 apurinic or apyrimidinic site DNA 内切酶 DNA 聚合酶 I 或 ε DNA 连接酶

8 受损碱基 : 碱基发生脱氨化反应 西安电子科技大学生命学院 8 夏玉琼

9 受损碱基修复 : 脱嘌呤反应 西安电子科技大学生命学院 9 夏玉琼

10 10 核苷酸切除修复 (NER) 大肠杆菌的 NER 受损伤的核苷酸 Uvr-A, Uvr-B, Uvr-C 三种 DNA 切割酶切开两端 DNA 聚合酶 I 和连接酶

11 11 核苷酸切除修复 (NER) 系统缺失的问题 着色性干色病 xeroderma pigmentosum (XP) 一种由于 DNA 修复基因缺陷引起的遗传性皮肤病 表现为皮肤光敏和早发性肉瘤 缺乏 NER

12 西安电子科技大学生命学院 12 夏玉琼 DNA 的重组修复 又称 复制后修复 复制时跳过 DNA 损伤部位, 在新合成链中存在缺口 缺口由 DNA 重组修复

13 13 DNA 的重组修复 双链 DNA 含有缺口 5-3 外切酶切去几个核苷酸 Strand invasion 合成 DNA 连接 DNA 交叉点迁移 /genetic-analysis/recombination/rec-molecular.html

14 DNA 的直接修复 : 修复甲基化 DNA 西安电子科技大学生命学院 14 夏玉琼

15 15 烷基化的原因 : 致癌剂 DNA 烷基化的位点 Guanine-N7 烷基化无害 Adenine-N3 烷基化后不能与任何碱基配对,DNA 复制中止

16 16 烷基化的原因 : 致癌剂 Guanine-O-6 烷基化后与 T 配对 如果致癌物质使得起控制或影响细胞分化发生突变, 则导致癌细胞的增殖

17 17 DNA 的直接修复 : 修复嘧啶二体 修复嘧啶二体

18 18 嘧啶二体的产生原因 -UV UV 造成嘧啶二体 四元环 (80-90%) 4-6 位相连 (10-20%)

19 西安电子科技大学生命学院 19 夏玉琼 DNA 的 SOS 修复 是细胞 DNA 受到损伤或者复制系统受到抑制的紧急情况下, 细胞为求生存而产生的一种应急措施 包括诱导 DNA 损伤修复 诱变效应 细胞分裂的抑制 溶原性细菌释放噬菌体 广泛存在原核和真核生物中, 包括修复 DNA 和产生变异两个方面, 有利有弊

20 20 小结 DNA 的修复系统 DNA 的错配修复 修复 X 射线和 γ 射线引起的碱基误读 DNA 的碱基切除修复 : 修复碱基突变 DNA 的核苷酸切除修复 : 修复核苷酸损坏 DNA 的重组修复 : 复制后修复 DNA 的直接修复 直接切除甲基 : 致癌剂导致的 DNA 烷基化 直接还原成单体 :UV 导致的嘧啶二体 DNA 的 SOS 修复 : 应急修复

21 西安电子科技大学生命学院 21 夏玉琼 目录 2.1 染色体 2.2 DNA 的结构 2.3 DNA 的复制 2.4 原核生物和真核生物复制的特点 2.5 DNA 的修复 2.6 DNA 的转座

22 22 转座子 DNA 的转座 (transposition) 由可移位因子介导的遗传物质重排现象 可移位因子的一个拷贝留在原位, 新位置是其拷贝 依赖于 DNA 的复制 通俗地讲 : 一小段 DNA 复制后插到别的位置 转座子 (transposon, Tn) 染色体 DNA 上可自主复制和移位的基本单位 人类基因组的转座子有 35% 以上, 大多与疾病相关

23 转座子的转座方式 西安电子科技大学生命学院 23 夏玉琼

24 西安电子科技大学生命学院 24 夏玉琼 转座子分类 插入序列 insertional sequence 复合型转座子 composite transposon

25 西安电子科技大学生命学院 25 夏玉琼 插入序列 不含有任何宿主基因 是细菌染色体或质粒 DNA 的正常组成部分 例如 λ:is1 可以独立存在 带有介导自身移动的蛋白质 末端具有倒置重复序列 转座时复制一部分宿主靶位点的一小段 DNA

26 26 插入序列 ATGCA TACGT ATGCA TACGT ATGCA TACGT 插入序列 ( 包含倒置重复序列 ) 靶序列顺式重复

27 27 带 IS 序列的复合型转座子 带有某些抗药性基因 两翼是两个相同或高度同源的 IS 序列 复合型转座子 插入序列 抗药性基因 插入序列 倒置重复区 转座的基因

28 28 不带 IS 序列的复合型转座子 TnA 家族两翼有 38 碱基的倒置重复序列 倒置重复序列 转座酶解离酶 β- 内酰胺酶 Transposase (tnp) tnpa Resolvase(R) tnpr

29 西安电子科技大学生命学院 29 夏玉琼 真核生物中的转座子 玉米中的控制因子 控制玉米变异的控制因子, 其实是转座子 果蝇中的转座子 诱发杂种不育的 P 转座子

30 西安电子科技大学生命学院 30 夏玉琼 玉米中的转座子 包括自主性因子和非自主性因子 自主性因子能够自主剪接和转座 非自主性因子不能自主剪接和转座, 必须配合同家族的自主性因子 自主性因子为非自主性因子提供转座酶 两个例子 Ac-Ds 系统 ( 激活 - 解离系统 ) Spam-dspam 系统

31 31 Ac-Ds 系统 ( 激活 - 解离系统 ) 自主转座子 Ac 示意图 1. 两翼有 11bp 的反向重复序列 2. 在靶 DNA 位点形成 8bp 正向重复 3. 能自主转座, 形成不稳定的基因突变 NNNNNNNN NNNNNNNN

32 32 Ac-Ds 系统 ( 激活 - 解离系统 ) 非自主因子 Ds 1. 与 Ac 同属于一个家族 2. 是 Ac 转座子的缺失突变体, 失去转座酶功能 3. 两翼 11bp 倒转重复区与 Ac 同源 4. 在 Ac 的帮助下可以转座

33 Ac-Ds 系统 ( 激活 - 解离系统 ): 转座导致基因不稳定的突变 33 突变 转座

34 34 Spm-dSpm 系统 Spm 是自主性因子 两端各有一个 13 碱基的倒置重复序列 在靶位点形成 3 碱基的正向重复 Dspm 是非自主性因子, 是 spm 的缺失突变体

35 35 Spm-dSpm 系统 Spm 抑制 - 促进 - 增变, 根据转座位置不同作用不同 : 抑制 :tnpa 蛋白结合靶序列, 抑制靶基因表达 促进 :Spm 序列与增强子序列 (En, enhancer) 接近 增变 : 插入外显子中, 引入结构变化

36 西安电子科技大学生命学院 36 夏玉琼 果蝇的 P 转座子 插入基因组 W 位点引起杂种不育 两翼都有 31 碱基倒置重复序列 转座导致靶 DNA 复制产生 8 碱基正向重复序列

37 西安电子科技大学生命学院 37 夏玉琼 P 转座子 体细胞内被翻译成转座阻遏物 卵细胞中被翻译成转座酶

38 西安电子科技大学生命学院 38 夏玉琼 P 转座子的结果 P 转座子 + 转座酶 P 转座子 + 转座酶 + 抑制子 ( 细胞质中 ) 转座酶 + 抑制子 ( 细胞质中 ) 转座 不转座 不转座

39 39 P 型雄和 P 型雌 雄性染色体 雌性染色体 细胞质来自雌性 无转座 P 转座子 P 转座子 有阻遏物 后代可育 P 型雄和 M 型雌 雄性染色体 雌性染色体 细胞质来自雌性 转座 P 转座子 无 P 转座子 无阻遏物 后代败育 M 型雄和 P 型雌 雄性染色体 雌性染色体 细胞质来自雌性 无转座 无 P 转座子 P 转座子 有阻遏物 后代可育 M 型雄和 M 型雌 雄性染色体 雌性染色体 细胞质来自雌性 无转座 无 P 转座子 无 P 转座子 无阻遏物 后代可育

40 40 转座作用的机制 : 为什么靶序列会正向重复 靶位点 靶位点特征黏性末端切割 转座子插入 黏性末端复制形成直接重复序列

41 西安电子科技大学生命学院 41 夏玉琼 转座作用的遗传学机制 引起插入突变 产生新的基因 产生染色体畸变 引起生物进化

42 42 小结 染色体 DNA 结构复制修复转座 碱基结构双螺旋结构超螺旋结构 半保留复制半不连续复制引物复制叉各种酶 修复的原因修复的方式 : 直接修复切除修复 转座的概念转座子及例子转座的机制转座的意义

43 西安电子科技大学生命学院 43 夏玉琼 思考题 描述致癌剂会导致 DNA 怎样的损伤, 损伤后又是如何修复的 描述皮肤被紫外线晒伤后 DNA 如何损伤, 如何修复的 画出插入序列 (IS) 的结构示意图, 并指出各个部分的功能

44 西安电子科技大学生命学院 44 夏玉琼 下次课的内容 第三章生物信息的传递上 RNA 转录的基本过程 转录机器的主要成分

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