微生物的遺傳物質(zhì)

關(guān)于微生物的遺傳物質(zhì)第1頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四染色體是微生物基因組的結(jié)構(gòu)單位，習(xí)慣上把原核生物的DNA分子也稱為染色體。基因是編碼功能性產(chǎn)物的一段具有特征結(jié)構(gòu)的DNA片段（以RNA為遺傳物質(zhì)的病毒除外）。第2頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)遺傳物質(zhì)DNA的結(jié)構(gòu)和復(fù)制一、DNA的結(jié)構(gòu)第3頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四4種脫氧核苷酸由3‘5’磷酸二酯鍵聚合而形成DNA的堿基順序一級(jí)結(jié)構(gòu)第4頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四DNA結(jié)構(gòu)第5頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四二級(jí)結(jié)構(gòu)DNADoubleHelixmodelWatson&Crick,1953第6頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四3.4nm1nm第7頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四B-DNA是在有堿金屬存在及92%濕度條件下，經(jīng)X光衍射分析得到的。A-DNA是在75%濕度條件下DNA纖維通過X光衍射分析得到的。右手雙螺旋結(jié)構(gòu)1979年，發(fā)現(xiàn)了左手雙螺旋DNA，稱為Z-DNA是由兩條反向平行的多聚核苷酸相連而成的。Z-DNA可能在基因表達(dá)調(diào)控中起作用。但確切的生物學(xué)功能尚待研究。第8頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四ABZ第9頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四三級(jí)結(jié)構(gòu)E.coli

的染色體長度>1mm，比其細(xì)胞本身長1000倍，所以一定存在著超螺旋結(jié)構(gòu)；在真核生物中核小體的形成引入負(fù)超螺旋，在細(xì)菌和古細(xì)菌中是DNA回旋酶引起超螺旋。第10頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四第11頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四DNA的不同形式有：環(huán)狀和線狀通常細(xì)菌的染色體DNA，質(zhì)粒DNA，以及真核生物的線粒體DNA和葉綠體DNA為環(huán)狀第12頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四二、DNA的復(fù)制特點(diǎn)和幾種主要的復(fù)制方式第13頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四1.基本概念2.復(fù)制起點(diǎn)與方向

3.Semi-ConservationReplication

4.復(fù)制的方式

第14頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四

1.基本概念

(BasicConcept)第15頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四Watson&Crick:

一種遺傳物質(zhì)，必須能行使兩種功能，即自我復(fù)制和對(duì)細(xì)胞的高度特異性的影響遺傳物質(zhì)的基本屬性：基因的自我復(fù)制基因的突變可以控制性狀的表達(dá)第16頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四DNA復(fù)制

親代雙鏈DNA分子在DNA聚合酶的作用下，分別以每單鏈DNA分子為模板，聚合與自身堿基可以互補(bǔ)配對(duì)的游離的dNTP,合成出兩條與親代DNA分子完全相同的子代DNA分子的過程。●

Replicon;●Replisome;

每一個(gè)復(fù)制起點(diǎn)及其復(fù)制區(qū)稱為一個(gè)復(fù)制單位

Themultiprotein(30±)structurethatassemblesatreplicatingforktoundertakesynthesisofDNA

第17頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四復(fù)制機(jī)理的復(fù)雜性

D.S.DNAS.S.DNA能量的供求構(gòu)型的變化超螺旋線狀，開環(huán)狀多種酶類的互作ReplisomeDNA復(fù)制起始控制機(jī)理知之甚少復(fù)制的準(zhǔn)確性（修復(fù)，校正）研究試材的特殊性（溫度敏感型ts，突變抑制體系Su）DNA復(fù)制速度(E.coli105bp/min，高速解旋112km/h?)缺乏統(tǒng)一的模式(D.S.DNA,S.S.DNA,LinearDNA….)

第18頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四原核生物的復(fù)制起點(diǎn)（Originofreplication，簡稱ori）例如，E.coli

的oriC，長度為245bp真核生物多個(gè)復(fù)制起點(diǎn)，例如釀酒酵母，約有400個(gè)復(fù)制起點(diǎn)（autonomouslyreplicatorysequence，ARS），每個(gè)長度為100-200bp。2.復(fù)制起點(diǎn)與方向（replicationorigin&direction）

第19頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四

isolationofori第20頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四

richAT&palindromEnzymesbindingsite300bp±inreplicationorigin0fProkaryoteATrich復(fù)制起點(diǎn)的特征第21頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四ATrich真核生物復(fù)制起點(diǎn)的研究是以酵母為基礎(chǔ)的ARS(automaticReplicationSequence)自主復(fù)制序列ARS1(A,B1,B2,B3)A區(qū)具有高度保守性

A/TTTTATG/ATTTA/TB區(qū)變化較大第22頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四

“呼吸現(xiàn)象”

DNA復(fù)制原點(diǎn)處氫鍵迅速斷裂與再生，導(dǎo)致兩條DNA鏈不斷解鏈與聚合，形成瞬間的單泡狀結(jié)構(gòu)的過程。在富含AT的區(qū)域內(nèi)尤為明顯第23頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四子鏈DNA延伸方向

DNApolymerasereactsonthe3’endonlyNewDNAelongationfrom5’to3’direction進(jìn)化中保留的深刻的、選擇與適應(yīng)的、化學(xué)及功能的根源

5’OHTCATCAC

5’OH3’pppOHC++ppi第24頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四如果DNA的延伸方向是3’→5’

ATCG

+

5’pppOH3’

G

pppOH

GATCG

5’pppOH3’第25頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四ATCG

+

5’pppOH3’

G

pppOH

G

5’ppp因能量的需要，DNA的5’端必須帶有PPP游離dNTP具有ppppppOH3’ATCG在0.2MNacl的生理環(huán)境中，磷酸基團(tuán)間的強(qiáng)電負(fù)性，使dNTP難以聚合到DNA的5‘端，而且雙鏈DNA的5’端堿基配對(duì)困難需要其他機(jī)制以解脫第26頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四堿基發(fā)生錯(cuò)配后的校正……費(fèi)時(shí)、費(fèi)能、增加脫磷酸、加磷酸的能量消耗

A

TCG

pppOH+

pppApOHTCGpppOHTCGTCGpppOH第27頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四

3.DNA的半保留復(fù)制（Semi-ConservationReplication）第28頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四Threereplicationhypotheses第29頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四(CsClgradientcentrifuge)

N15

N14DNASemi-ConservationReplicationM.MeselsonandF.W.Stahl,Sciences44:675,1958.第30頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四半不連續(xù)復(fù)制（semi-discontinuousreplication）

后隨鏈前導(dǎo)鏈5‘3’3‘5’3‘5’5‘3’第31頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四4.DNA復(fù)制的方式

(DNAreplicationmodel)

第32頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四●θ型復(fù)制1963年，Cairns根據(jù)E.coli的環(huán)狀染色體復(fù)制的中間產(chǎn)物自顯影實(shí)驗(yàn)提出的。形狀象“θ

”第33頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四●滾環(huán)方式

D.S.DNA→

Nick→Elongation→

rolling合成互補(bǔ)鏈，形成雙鏈A蛋白識(shí)別起點(diǎn)，產(chǎn)生切口polIII催化延長正鏈環(huán)化形成雙鏈結(jié)構(gòu)產(chǎn)生A蛋白,識(shí)別復(fù)制起點(diǎn)第34頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四●置換式或D-Loop（Displacementform）

D.S.DNA

InmitochondrialDNAalsoinchloroplasmDNA

→

S.S.DNAastemplate→

NewS.S.DNA→Displacement→

D-Loop重鏈復(fù)制D-環(huán)延伸形成D-環(huán)輕鏈開始復(fù)制重鏈復(fù)制完成輕鏈正在復(fù)制輕鏈復(fù)制完成封閉新合成鏈上的缺口第35頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)原核生物的染色體及其復(fù)制原核生物染色體80%以上DNARNA蛋白質(zhì)環(huán)狀雙鏈DNA分子存在于細(xì)胞內(nèi)相對(duì)集中的區(qū)域，成為擬核。無核膜。

第36頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四一、原核生物染色體的數(shù)目和大小E.coli有1條環(huán)狀染色體，4.7MbB.subtilis有1條環(huán)狀染色體，4.2MbAgrobacteriumtumefaciens有1條線性染色體，2.1Mb；1條環(huán)狀染色體，3.0Mb。第37頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四二、細(xì)菌染色體的結(jié)構(gòu)

參與DNA折疊的蛋白質(zhì)類組蛋白與DNA結(jié)合后，幫助DNA進(jìn)行高度折疊，除類組蛋白外，DNA還與其他蛋白質(zhì)相結(jié)合。如與復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和加工有關(guān)的蛋白質(zhì)結(jié)合在一起，這樣，其環(huán)狀染色體DNA以緊密纏繞的、致密的、不規(guī)則小體形式存在，該小體即是擬核。電鏡下呈圓形或橢圓形。擬核：第38頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四三、細(xì)菌染色體的復(fù)制第39頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四細(xì)菌的復(fù)制基因與酶類

Initiategenes

dnaBprepriming300kd~20copies/cellhexamerRNApolprimaseforleadingS.dnaCactswithdnaB25kddnaGprimaseforlaggingS.60kd~25(Okazakifragment)monomer

SSB

BindingwithS.S.DNA74kd~300Preventsfromannealmonomer第40頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四ElongategenesdnaE

DNApolymeraseIII(α)140kd~20dnaZ

DNApolymeraseIII(β)52kd~20polADNApolymeraseI109kd~400polBDNApolymeraseII90-120kd~100第41頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四Topoisomerase

topATopI(swivelase)100kdsuperhelix→D.S.helix第42頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四Topoisomerase

gyrαTopII(gyrase)gyrβD.S.helix→superhelixCutD.S.DNAATPLigate第43頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四Topoisomeraserep

Relaxedprotein(Helicase)D.S.DNA→S.S.DNAligLigase

HDP

HelixDi-stabilizingProteinNoATPaseBindingS.S.DNAdecreaseTmPreventsfromanneal第44頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四

b)DNA聚合酶（DNApolymerase）

Prokaryote

IpolA109KD3’-5’和5’-3’外切酶活性切除RNA引物和參與后隨鏈合成中的缺口填充反應(yīng)IIpolB3’-5’外切酶活性III10種不同的亞基組成核心酶和全酶

第45頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四TopI,TopIIHelicase(repprotein)SingleStrandBindingprotein(SSB)Helixdestabilizingprotein(HDP)DnaBproteinDnaCproteinPrimaseUng-aseDNAPolymeraseIII

DNAPolymeraseI

Ligaseforprimosome復(fù)制體進(jìn)化中形成了靈活的多酶復(fù)合體

replisome第46頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四進(jìn)化中形成了靈活的多酶復(fù)合體replisome

第47頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四位于復(fù)制叉處的多酶復(fù)合體完成

laggingStrandDNA延伸時(shí)必須快速從一個(gè)岡崎片段移到另一岡崎片段

InlaggingStrand多酶系統(tǒng)必須完成多次反復(fù)的啟動(dòng)與擴(kuò)展

E.coli

啟動(dòng)2000—4000次的岡崎片段復(fù)制第48頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四Replisomemodel第49頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四第50頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四復(fù)制起點(diǎn)AT豐富DNA識(shí)別位點(diǎn)DNAbox5’-TTATCCACA-3’13個(gè)富含AT的單核苷酸5’-GATCTNTTNTTTT-3’大腸桿菌染色體復(fù)制起點(diǎn)oriC的結(jié)構(gòu)第51頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四DNA復(fù)制過程鏈的生長原理第52頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四起始階段:識(shí)別oriC復(fù)制叉第53頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四起始階段:雙鏈分開第54頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四起始階段:引物的合成第55頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四延伸階段:第56頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四TheterminationofDNAreplication

E.coli(單起點(diǎn)雙方向)兩復(fù)制叉的相遇處具有多個(gè)終止位點(diǎn)(不是復(fù)制叉簡單相遇）

terE,D,AterF,C,B(22bp保守區(qū))FBTerminusUtilizationSubstance（TUS36kd）CADETer-TUS復(fù)合體終止階段:第57頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四

terE,D,A僅對(duì)反時(shí)針方向的復(fù)制叉具有終止效應(yīng)

terF,B,C僅對(duì)順時(shí)針方向的復(fù)制叉具有終止效應(yīng)FBCADETer-TUS復(fù)合體(Rep.forktrap)終止DnaB(螺旋酶)防止DNA過度復(fù)制避免出現(xiàn)DNA多聚體，高拷貝第58頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四四、細(xì)菌染色體的分離機(jī)制第59頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四第60頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)基因結(jié)構(gòu)和基因組基因結(jié)構(gòu)和基因概念的發(fā)展基因組學(xué)大腸桿菌的基因組ΦX174噬菌體的基因組真核生物的基因組及其特點(diǎn)第61頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四原核基因結(jié)構(gòu):-35,-10區(qū)的特征真核基因結(jié)構(gòu):增強(qiáng)子,外顯子,內(nèi)含子一、基因結(jié)構(gòu)和基因概念RNA剪切第62頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四基本概念geneoverlappinggenesplitgenepseudogenemovablegeneIntronexonORFenhancersilencerpromoterterminator第63頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四二、基因組學(xué)基因組的大小:

病毒103bp

原核生物106bp

真核生物109bp基因組:單倍體細(xì)胞核內(nèi)整套染色體所含的DNA分子及其所攜帶的全部基因第64頁，共77頁，2023年，2月20日，星期四MapoftheMycoplasmagenitaliumgenomeMapoftheHaemophilusinfluenzaegeno