DNA合成

这是一篇关于DNA合成的思维导图，主要内容有：DNA复制、逆转录合成、DNA修复合成、DNA合成的主要特征。

DNA的合成

• DNA复制
  • 半保留复制
    • 1958年，MeselsonM和StahlFW密度梯度实验证明DNA的半保留复制
    • 概念：复制时，双链解开分别作为模版新合成2个DNA分子，每个DNA分子都有一条来自亲代，一条新合成
    • 意义：子代DNA中保留了亲代全部遗传信息，体现了遗传的保守性。
      • 遗传保守性是相对的而不是绝对的，自然界还存在普遍的变异现象。遗传信息的相对稳定是物种稳定的分子基础，但并不意味着同一物种个体与个体之间没有区别。
  • 双向复制
    • 概念：复制时DNA从起始点向两个方向解链。复制中的模版DNA形成两个延伸方向相反的开链区，称为复制叉。
    • 原核生物只有一个复制起始点真核生物有多个复制起始点，从一个复制起始点起始的DNA复制区域称为复制子。复制子是含有一个复制起点的独立完成复制的功能单位。
  • 半不连续复制
    • 概念：前导链连续复制，后随链不连续复制。
    • 前导链：沿着解链方向生成的子链
    • 后随链：复制方向与解链方向相反，不能连续延长
      • DNA复制过程中，后随链上出现的一些不连续的核酸片段，称为冈崎片段。
        • 真核生物冈崎片段长度100-200核苷酸残基，原核生物1000-2000核苷酸残基
    • 在引物合成和子链延长上，后随链都比前导链迟一些，因此，两条互补链的合成是不对称的。
  • 高保真性
    • 半保留复制、DNA聚合酶的核酸外切酶活性、复制叉的复杂结构、修复系统等
      • 遵守严格的碱基配对规律
      • 聚合酶在复制延长中对碱基的选择功能
      • 复制出错时有即时校对功能
      • 实现保真性的3种机制
  • 原料：dNTP酶：DNA聚合酶模版：解开的DNA单链引物：提供3’-OH末端
    • dNTP有3个磷酸基团，最靠近核糖的称为α-P,向外依次为β-P,γ-P，在聚合反应中，α-P与子链末端核糖的3’-OH连接。
  • 原核生物的DNA聚合酶
    • DNA-polⅠ的二级结构以α-螺旋为主，只能催化延长20个核苷酸左右，因此不是复制延长中起主要作用的酶。
      • DNA-polⅠ可被水解为两个片段，小片段有5'→3'外切酶活性；大片段被称为Klenow片段，具有DNA聚合酶活性和3'→5'外切酶活性。
    • DNA-polⅡ对模板特异性不高，即使在已发生损伤的DNA模板上，也能催化核苷酸聚合。
    • DNA-polⅢ是复制延长中真正起催化作用的酶
      • 以α、ε、θ作为核心酶并组成较大的不对称二聚体α亚基有5'-3'聚合酶活性ε亚基有3'-5'外切酶活性以及碱基选择功能
  • 真核生物的DNA聚合酶
    • DNA-polα 引物酶；DNA-polβ 参与应急修复；DNA-polγ 线粒体DNA复制；DNA-polδ后随链合成；DNA-polε前导链合成
  • DNA复制酶学
    • DNA分子碱基埋在双螺旋内部，只有解成单链，才能发挥模板作用
    • DNA拓扑异构酶：解开DNA超螺旋，切开、理顺DNA链
      • Ⅰ型：切断DNA一股链，适时封闭，反应不需要ATP
      • Ⅱ型：切断DNA两股链；利用ATP供能，连接断端
      • 拓扑异构酶既能水解又能连接磷酸二酯键
        • DNA分子一边解链，一边复制，所以复制全过程都需要拓扑酶
    • 解旋酶：利用ATP供能，作用于氢键，使DNA双链解开成为两条单链
    • 单链DNA结合蛋白/SSB：复制中维持模板处于单链状态并保护单链完整
    • 引物酶：依赖DNA的RNA聚合酶，催化引物生成 ，具有催化3'-5'磷酸二酯键生成功能。dnaG基因产物：DnaG
    • DNA连接酶：连接3'-OH和5'-P末端，生成磷酸二酯键，消耗ATP
      • DNA复制、修复、重组、剪接均需要DNA连接酶起接合缺口作用
      • 不能连接单独存在的DNA或RNA单链
  • 复制过程
    • 复制起始：①解链：拓扑异构酶：松弛超螺旋（正超螺旋变为负超螺旋，负超螺旋比正超螺旋具有更好的模板作用）；解旋酶：解开；SSB：稳定②引物：引物酶合成短链RNA（引物酶属于RNA聚合酶，不需要3'-OH便可催化NTP的聚合；而DNA聚合酶不能催化两个游离dNTP之间形成磷酸二酯键）
      • 引发体：解旋酶DnaB、DnaC、引物酶和DNA的复制起始区域共同构成的起始复合物结构，称为引发体。起始复合物蛋白质组分在DNA链上移动需要ATP提供能量。引发体催化RNA引物合成
      • 注意：引物酶属于RNA聚合酶，但它不同于催化转录的RNA聚合酶，见第十四章。利福平是转录用RNA聚合酶的特异性抑制剂，而引物酶对利福平不敏感
    • 复制延长：在DNA-polⅢ催化下dNTP以dNMP形式加入，生成磷酸二酯键
    • 复制终止：去除引物、填补空隙、连接切口（实际上此过程在子链延长中已陆续进行，不必等到最后的终止才连接）
      • 引物水解依靠：DNA-polⅠ，水解后留下空隙，空隙由DNA-polⅠ填补，而不是DNA-polⅢ催化，从5'端向3'端用dNTP为原料生成相当于引物长度的DNA链。填补至足够长度后，还是留下相邻的3'-OH和5'-P的缺口，缺口由连接酶连接
  • 真核生物DNA合成
    • 多个复制起点，同时开始复制
    • 复制子以分组方式激活而不是同步启动。转录活性高的DNA在S期早期就进行复制；高度重复序列如卫星DNA、端粒等在S期的最后阶段才复制
    • 在增殖细胞核抗原/PCNA协助下，DNA-polδ催化合成前导链，DNA-polε催化合成后随连
    • 复制起始需要：DNA-polα、DNA-polδ、DNA-polε、解旋酶、拓扑酶、复制因子
    • 真核生物引物除了RNA外，还包括DNA片段，因此去除引物需要RNA酶和核酸外切酶
    • 真核生物引物和后随链的冈崎片段都比原核生物短
    • 真核生物DNA合成后立即组装成核小体
    • 端粒：指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构部分，通常膨大成粒状
      • 结构特点：由3'末端DNA序列和蛋白质构成
      • 末端DNA序列是多次重复的富含T-G短序列
      • 功能：维持染色体稳定性；维持DNA复制完整性
    • 端粒酶：RNA-蛋白质复合体，以RNA为模板通过逆转录过程对末端DNA链进行延长端粒酶RNA：提供RNA模板，合成DNA；端粒酶协同蛋白；端粒酶逆转录酶：蛋白质
      • 线性DNA复制完成后，末端由于引物RNA水解可能出现缩短。需要在端粒酶的催化下，进行延长反应
      • 老化与端粒酶活性下降有关
      • 肿瘤的发生与端粒酶活性有关（增殖活跃的肿瘤细胞中端粒酶活性升高）
• 逆转录合成
  • 逆转录：逆转录酶催化下以单链RNA为模板合成双链DNA的过程，同样需要引物
  • 逆转录酶特点：①RNA指导的DNA聚合酶活性②RNase H活性③DNA指导的DNA聚合酶活性
  • cDNA：以mRNA为模板，经逆转录合成的与mRNA碱基序列互补的DNA链
• DNA修复合成
  • 损伤因素：体内因素体外因素：物理化学因素损伤DNA
    • 紫外线：DNA链上相邻嘧啶碱基发生共价结合生成嘧啶二聚体
    • 化学诱变剂、电离辐射、变质食物、芳香胺类等
  • 突变：碱基损伤和糖基破坏、错配（错义突变、无义突变、同义突变）、DNA链断裂、共价交联、插入、缺失
    • 插入和缺失都可导致框移突变若同时连续插入或缺失3个碱基，对蛋白质的功能影响相对较小
    • 错配
    • 重排：DNA分子内较大片段的交换，称为重组或重排 eg：地中海贫血
  • 修复主要类型：直接修复切除修复重组修复损伤跨越修复
    • 直接修复：又称光复活修复，直接修复嘧啶二聚体
    • 切除修复：包括碱基切除修复和核苷酸切除修复，是最常见和最重要的机制
      • 过程：识别水解（糖苷酶）—切除（核酸内切酶）—合成（DNA聚合酶）—连接（DNA连接酶）
    • 重组修复：双链损伤
    • 跨越修复：SOS修复、DNA广泛损伤
• 主要特征：半保留复制、双向复制、半不连续复制、高保真性
• 3'-5'外切酶活性：辨认错配碱基并水解；5'-3'外切酶活性：切除引物和突变DNA片段
• RNA聚合酶、逆转录酶无3'-5'外切酶活性，无校对功能，错误率高