分子生物学-05-2-第二章染色体与DNA-7端粒复制

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1、教学单元教案格式第二章 补充内容 端粒复制 课程教案授课题目：第4次大课 第二章 端粒复制 教学时数：1授课类型： 理论课 实践课教学目的、要求：1、掌握线性DNA端粒的复制机制； 2、熟悉DNA端粒的结构与生物体寿命之间的关系教学重点：授课难点：端粒的复制机制教学难点：端粒的结构教学方法和手段：老师讲授为主：讲授式 启发式 提问式以电脑幻灯片边演示边讲述为主，（白板课件）辅以板书（黑板板书）注：以下内容按实际需要进行取舍本课程要求能够有多媒体教室。教学内容与教学设计：第一课时 线性染色体端粒DNA的复制1. 问题的提出线性DNA复制后的问题线性DNA复制后在其新生链的5端总是留下一段空隙，即

2、缩短对于线性DNA来讲，复制时，由于受DNA聚合酶特性限制，子代DNA链的最后一个片断去除引物后，无法填补空隙，易造成子代DNA链的缩短。染色体末端缩短l 对于染色体来讲，由于RNA引物的原因，DNA聚合酶一定会留下染色体末端的一段DNA（即一段端粒）使其不被复制。那么真核细胞染色体末端的端粒就会随着细胞分裂而缩短。这个缩短的端粒传给子细胞后，随着细胞的再次分裂进一步缩短。1.1 一般的解决办法线状 DNA的复制5末端短缩的解决模式 1、 从开始就采取环化的形式 噬菌体 2、 象T7噬菌体一样采取连环分子的形式 利用自身线性DNA末端的重复序列 通过末端互补形成连环分子 3、 最直接的办法引入

3、蛋白质直接从末端起始复制 如腺病毒2、phage29、脊髓灰质炎病毒 4、 痘病病毒的末端由发夹结构连接 复制完成后错切连接5、染色体端粒复制T7噬菌体的末端复制2 端粒位于真核生物染色体末端（一条链的3-OH），由蛋白质和DNA（人类：“TTAGGG”重复序列）紧密结合的保护染色体末端的结构。端粒功能： 避免染色体DNA链的缩短；防止染色体的融合或降解；维持染色体结构的稳定性和完整性。位于真核生物染色体末端（一条链的3-OH），由蛋白质和DNA（人类：“TTAGGG”重复序列）紧密结合的保护染色体末端的结构。端粒的生物学意义（1）维持染色体结构的完整性，防止染色体被核酸酶降解及染色体间相互融

4、和。（2）防止染色体结构基因在复制时丢失，解决了末端复制的难题。DNA复制时，DNA聚合酶必须在RNA引物基础上从5向3方向延伸，而5端RNA引物去除后因无引物的存在而不能复制，结果每复制一次染色体末端将丢失一段序列。端粒的存在使每次丢失的仅为端粒的一部分，从而保护了染色体内部的结构基因。（3）另外，有些研究还显示，端粒与核运动有关，可能对同源染色体的配对重组有重要意义。 染色体末端端粒随着每次细胞分裂逐渐缩短，直到不能分裂走向衰老。这就是人类细胞衰老的原因之一。但是人类的种系细胞一生中都能维持分裂、不断增殖。其原因在于：该细胞表达端粒酶。 端粒酶以自身一段RNA为模板，通过逆转录酶，转录出一

5、段端粒片段并使之连接于染色体的端粒末端，使端粒不缩短，维持完整，从而保持了细胞的永生化生长。 在单细胞生物、多细胞生物的种系细胞中都显示出弱的端粒酶活性。而在人类正常体细胞均无端粒酶活性。值得注意的是，在绝大多数恶性肿瘤细胞中显示明显的端粒酶活性，这可能是肿瘤细胞具有永生性生长的原因之一。3 端粒的合成主要依靠端粒酶来催化端粒酶（telomerase）：是一种自身携带RNA模板的逆转录酶，可以催化合成端粒。实际上端粒酶是一种RNA-蛋白质复合体,它自身携带的RNA具有物种特异性，可以作为模板, 通过逆转录过程对该物种DNA末端进行延长l4端粒复制的爬行模型复制后加工：如下图所示：(a)端粒酶以

6、其RNA为模板, 通过逆转录作用, 催化富含G链的延伸; (b)端粒酶向端粒新3端移动,继续以其RNA为模板, 催化富含G的DNA母链延长; (c)端粒酶反复移位, 通过逆转录反应使端粒富含G链增长到足够长度; (d)富含C链的空缺部分不需要yinfa酶合成引物提供3-OH, 而是富含G的链突出的寡脱氧核苷酸d(GGGGTTTTGGGG)通过非Watson-Crick配对方式自身的GGGG之间按G G配对, 回折形成发卡并提供3-OH; (e)由发卡引发富含C链在3-OH以富含G链为模板, 由DNA聚合酶添加新的dNTP, 进一步延伸填补空缺, 间隙最后由DNA连接酶封口; (f) 这种带重复

7、序列的端粒DNA与端粒蛋白结合后, 通过GG配对自身回折在染色体末端形成套索结构(t环, telomere loop) 完成加工后, 形成完整的端粒。 。 5 附加：反转录作用（RNA指导的DNA合成）定义: 以RNA为模板, 按照RNA中的核苷酸顺序合成DNA的过程称为反转录(reverse transcription, RT)。该过程由反转录酶催化进行。1970年Temin和Baltimore同时分别从(鸡)劳氏肉瘤病毒和小白鼠白血病病毒等致病RNA病毒中分离出反转录酶，迄今已知的致癌RNA病毒都含有反转录酶。病毒RNA的反转录过程 （以前病毒形式整合到宿主细胞DNA中而使细胞恶性转化）反

8、转录酶也和DNA聚合酶一样, 沿53 方向合成DNA, 并要求短链RNA作引物。反转录酶是多功能酶，兼有3种酶的活性：a) RNA指导的DNA聚合酶活性b) DNA指导的DNA聚合酶活性c) 核糖核酸酶H的活性，专一水解RNA-DNA杂交分子中的RNA，可沿5 3和3 5两个方向起核酸外切酶的作用。cDNA：利用反转录酶可合成出与任何RNA模板（mRNA，tRNA或rRNA）的碱基序列互补的DNA互补DNA（complementary DNA, cDNA）。 几乎所有真核生物mRNA分子的3 末端都有一段polyA, 当加入寡聚dT作为引物时，mRNA就可作为模板，在反转录酶催化下在体外合成与

9、其互补的cDNA，为研究真核结构基因提供了有效途径。反转录酶发现的理论和实践意义：反转录酶的发现补充了“中心法则”，遗传信息也可以从RNA传递到DNA。促进了分子生物学、生物化学和病毒学的研究，为肿瘤的防治提供了新的线索。目前反转录酶已经成为研究这些学科的有力工具。作业布置：1、预习真核生物的启动子课后小结：l 端粒酶以其RNA为模板, 通过逆转录作用, 催化富含G链的延伸; (b)端粒酶向端粒新3端移动,继续以其RNA为模板, 催化富含G的DNA母链延长; (c)端粒酶反复移位, 通过逆转录反应使端粒富含G链增长到足够长度; (d)富含C链的空缺部分不需要引物酶合成引物提供3-OH, 而是富含G的链突出的寡脱氧核苷酸d(GGGGTTTTGGGG)通过非Watson-Crick配对方式自身的GGGG之间按G G配对, 回折形成发卡并提供3-OH; (e)由发卡引发富含C链在3-OH以富含G链为模板, 由DNA聚合酶添加新的dNTP, 进一步延伸填补空缺, 间隙最后由DNA连接酶封口; (f)端粒DNA与端粒蛋白结合, 完成加工后, 形成完整的端粒。 对于染色体来讲，由于RNA引物的原因，DNA聚合酶一定会留下染色体末端的一段DNA（即一段端粒）使其不被复制。那么真核细胞染色体末端的端粒就会随着细胞分裂而缩短。这个缩短的端粒传给子细胞后，随着细胞的再次分裂进一步缩短