生物化学与分子生物学/DNA复制的起始阶段:

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生物化学与分子生物学

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(一)DNA复制的起始点

很多实验都证明:复制是从DNA分子上的特定部位开始的,这一部位叫做复制起始点(originof replication)常用ori或o表示。细胞中的DNA复制一经开始就会连续复制下去,直至完成细胞中全部基因组DNA的复制。DNA复制从起始点开始直到终点为止,每个这样的DNA单位称为复制子或复制单元(replicon)。在原核细胞中,每个DNA分子只有一个复制起始点,因而只有一个复制子,而在真核生物中,DNA的复制是从许多起始点同时开始的,所以每个DNA分子上有许多个复制子。

DNA复制起始点有结构上的特殊性,例如:大肠杆菌染色体DNA复制起始点Oric由422个核苷酸组成,是一系列对称排列的反向重复序列,即回文结构(palindrome),其中有9个核苷酸或13个核苷酸组成的保守序列,这些部位是大肠杆菌中DnaA蛋白识别的位置,大肠杆菌染色体DNA是环状双链DNA,它的复制是典型的“θ”型复制(由于形状像希腊字母θ)。从一个起点开始,同时向两个方向进行复制,当两个复制方向相遇时,复制就停止。而有些生物的DNA复制起始区是一段富含A.T的区段。这些特殊的结构对于在DNA复制起始过程中参与的酶和许多蛋白质分子的识别和结合都是必须的。

(二)DNA复制的方向:

(1)定点开始双向复制:

这是原核生物和真核生物DNA复制最主要的形式,从一个特定位点解链,沿着两个相反的方向各生长出两条链,形成一个复制泡,用电子显微镜可以观察到复制泡的存在(图16-5)。

SV40DNA;复制泡生长的电镜图谱


图16-5 SV40DNA;复制泡生长的电镜图谱

(2)定点开始单向复制:

质粒colE1是个典型的例子,复制从一个起始点开始,以同一方向生长出两条链,形成一个复制叉(replication fork)。

(3)两点开始单向复制:

腺病毒DNA的复制是从两个起点开始的,形成两个复制叉,各以一个单一方向复制出一条新链(图16-6)。

DNA的半不连续复制和复制泡的形成


图16-6 DNA的半不连续复制和复制泡的形成

总之DNA复制的起点及方向不仅原核细胞与真核细胞不同,就是同属于原核生物和真核生物的不同种属也有相当大的差异(图16-7)。

DNA链生长方向的三种机制


图16-7 DNA链生长方向的三种机制

(三)DNA复制起始引发体的形成及所参与的酶和蛋白质:

1.解链酶(helicase)

DNA开始复制时首先在起始点处解开双链,反应是在一种解链酶(helicase)的催化下进行的。解链酶需要ATP分解供给能量。大肠杆菌中DnaB蛋白就有介链酶活性,与随从链的模板DNA结合,沿5′→3′方向移动,还有一种叫做Rep蛋白和前导链的模板DNA结合沿3′→5′方向移动。解链酶的作用就是打开DNA双链之间的氢键。

2.单链结合蛋白:(single strand binding proteins,SSBP)

它与解开的单链DNA结合,使其稳定不会再度螺旋化并且避免核酸内切酶对单链DNA的水解,保证了单链DNA做为模板时的伸展状态,SSBP可以重复利用(图16-8)。

大肠杆菌DNA复制叉中复制过程简图


图16-8 大肠杆菌DNA复制叉中复制过程简图

3.引发体的形成:

DNA复制起始的关健步骤是前导链DNA的合成,一旦前导链DNA的聚合作用开始,随从链DNA的合成也随着开始。由于前导链的合成是连续进行的,所以它的起始相对简单,而随从链的合成是不连续进行的,所以引发阶段比较复杂。大肠杆菌的引发前体由Dna B. Dna C和单链结合蛋白组成。

(1)引物酶(primase)

它是一种特殊的RNA聚合酶,可催化短片段RNA的合成。这种短RNA片段一般十几个至数十个核苷酸不等,它们在DNA复制起始处做为引物。RNA引物的3′桹H末端提供了由DNA聚合酶催化形成DNA分子第一个磷酸二酯键的位置。

(2)引发体(primosome)

高度解链的模板DNA与多种蛋白质因子形成的引发前体促进引物酶结合上来,共同形成引发体,引发体主要在DNA随从链上开始,它连续地与引物酶结合并解离,从而在不同部位引导引物酶催化合成RNA引物,在引物RNA的3′桹H末端接下去合成DNA片段,这就是随从链不连续合成的开始。

32 DNA复制的方式及一般过程 | DNA复制的延长阶段以及参与的酶和蛋白质分子 32
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