《核酸的生物合成》課件：探索生命之源

核酸的生物合成：探索生命之源現(xiàn)代生物學(xué)核心議題適大學(xué)和研究生課程基礎(chǔ)知識(shí)與前沿進(jìn)展并重內(nèi)容提要核酸結(jié)構(gòu)與分類基本組成和功能差異生物合成歷史從Meischer到Watson與Crick合成途徑與主要酶denovo與補(bǔ)救途徑調(diào)控機(jī)制及相關(guān)疾病失調(diào)導(dǎo)致多種臨床病癥核酸基礎(chǔ)知識(shí)DNA定義脫氧核糖核酸，遺傳信息儲(chǔ)存RNA定義核糖核酸，信息傳遞與蛋白質(zhì)合成生物學(xué)功能編碼生命全部遺傳信息普遍存在從細(xì)菌到人類的所有生物體核酸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述1核苷酸基本組成單位2磷酸-糖-堿基三組分化學(xué)結(jié)構(gòu)堿基配對(duì)原則A-T/U，G-CDNA與RNA的差異五碳糖DNA：脫氧核糖RNA：核糖堿基差異DNA：A、G、C、TRNA：A、G、C、U結(jié)構(gòu)形式DNA：主要為雙鏈RNA：主要為單鏈核酸的重要性遺傳信息載體攜帶生命全部遺傳密碼細(xì)胞分化調(diào)控控制細(xì)胞功能與特性新陳代謝影響調(diào)節(jié)體內(nèi)生化反應(yīng)疾病診斷與治療基因檢測(cè)與靶向療法核酸的組成單位：核苷酸五碳糖提供骨架結(jié)構(gòu)磷酸基團(tuán)能量載體含氮堿基信息編碼單元ATP/GTP細(xì)胞能量分子核苷酸的分類嘌呤類腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)雙環(huán)結(jié)構(gòu)嘧啶類胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)、尿嘧啶(U)單環(huán)結(jié)構(gòu)生化反應(yīng)不同合成途徑能量需求各異核酸生物合成概述核苷酸合成denovo和補(bǔ)救途徑DNA與RNA合成復(fù)制與轉(zhuǎn)錄過程能量轉(zhuǎn)換過程ATP驅(qū)動(dòng)催化反應(yīng)生物合成的起源研究1858年Meischer首次發(fā)現(xiàn)核酸20世紀(jì)初核酸化學(xué)結(jié)構(gòu)逐漸明晰31953年Watson與Crick提出雙螺旋模型41960年代分子生物學(xué)興起合成中的"中心法則"DNA遺傳信息存儲(chǔ)RNA信息傳遞中介蛋白質(zhì)執(zhí)行生物學(xué)功能核苷酸的denovo合成途徑1必需原料氨基酸、CO?、NH?等小分子2嘌呤與嘧啶不同合成過程與前體物質(zhì)3能量驅(qū)動(dòng)ATP等高能分子提供能量4多步反應(yīng)酶催化級(jí)聯(lián)反應(yīng)過程補(bǔ)救合成途徑降解產(chǎn)物核苷和堿基磷酸轉(zhuǎn)移酶催化核苷酸再生低能耗比從頭合成省能量細(xì)胞代謝與基礎(chǔ)代謝緊密耦合嘌呤核苷酸的denovo合成PRPP形成磷酸核糖焦磷酸是關(guān)鍵前體IMP合成12步反應(yīng)形成次黃嘌呤核苷酸AMP與GMP從IMP分支形成兩種最終產(chǎn)物嘧啶核苷酸的denovo合成氨基酸起始從谷氨酰胺和天冬氨酸開始羧磷酰胺合成Carbamoylphosphate形成嘧啶環(huán)形成二氫尿嘧啶酸生成UMP合成最終形成尿苷酸嘌呤合成關(guān)鍵酶PRPP合成酶、胺酶、轉(zhuǎn)氨酶和IMP合酶是合成途徑中的關(guān)鍵催化酶嘧啶合成關(guān)鍵酶CPSII催化第一步反應(yīng)ATCase調(diào)控嘧啶合成速率DHOase環(huán)化形成嘧啶環(huán)PRPP在核酸合成中的核心作用嘌呤合成嘧啶合成組氨酸合成NAD/NADP合成其他代謝途徑能量耦合與核苷酸合成6ATP消耗每合成1分子AMP7能量消耗每合成1分子GMP4ATP需求每合成1分子UMP核苷酸的補(bǔ)救合成酶APRT腺苷磷酸轉(zhuǎn)移酶腺嘌呤+PRPP→AMPHGPRT次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸轉(zhuǎn)移酶鳥嘌呤/次黃嘌呤+PRPP→GMP/IMP相關(guān)疾病Lesch-Nyhan綜合征HGPRT缺陷導(dǎo)致DNA的合成機(jī)制引物啟動(dòng)RNA引物提供3'-OH5'→3'延伸DNA聚合酶催化校對(duì)與修復(fù)3'→5'外切活性片段連接DNA連接酶作用原核生物DNA合成酶聚合酶主要功能特點(diǎn)DNA聚合酶I去除RNA引物5'→3'聚合、3'→5'校對(duì)、5'→3'外切DNA聚合酶IIDNA修復(fù)低保真度、高錯(cuò)誤率DNA聚合酶III主要復(fù)制酶高效、高保真度真核生物DNA合成酶DNA聚合酶α引物合成與延伸復(fù)制起始DNA聚合酶δ滯后鏈延伸高保真復(fù)制DNA聚合酶ε引導(dǎo)鏈延伸校對(duì)功能輔助聚合酶DNA修復(fù)特殊DNA損傷修復(fù)DNA合成中的輔助蛋白螺旋酶解開DNA雙螺旋ATP驅(qū)動(dòng)分子馬達(dá)單鏈結(jié)合蛋白穩(wěn)定單鏈DNA防止重新退火DNA連接酶連接DNA片段修復(fù)DNA斷裂滑動(dòng)夾增強(qiáng)聚合酶處理能力提高復(fù)制效率RNA的生物合成過程DNA模板基因轉(zhuǎn)錄的起點(diǎn)1RNA聚合酶催化合成2mRNA攜帶蛋白質(zhì)編碼信息tRNA轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸rRNA構(gòu)成核糖體原核生物RNA聚合酶核心酶α?ββ'ω亞基組成σ因子識(shí)別啟動(dòng)子序列3全酶核心酶+σ因子真核生物RNA聚合酶種類酶類型轉(zhuǎn)錄RNA類型定位RNA聚合酶IrRNA(28S,18S,5.8S)核仁RNA聚合酶IImRNA和多數(shù)snRNA核質(zhì)RNA聚合酶IIItRNA和5SrRNA核質(zhì)RNA合成的調(diào)控1轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)特定基因表達(dá)啟動(dòng)子與增強(qiáng)子結(jié)合RNA聚合酶和轉(zhuǎn)錄因子3染色質(zhì)結(jié)構(gòu)影響DNA的可及性mRNA的修飾與剪接5'加帽加入7-甲基鳥嘌呤三磷酸帽內(nèi)含子剪接去除內(nèi)含子、連接外顯子3'多聚腺苷酸化添加200-250個(gè)A核苷酸核酸合成的時(shí)空調(diào)控DNA合成活性RNA合成活性合成過程中的錯(cuò)誤與修復(fù)錯(cuò)配修復(fù)(MMR)識(shí)別堿基錯(cuò)配切除錯(cuò)誤堿基光修復(fù)修復(fù)UV導(dǎo)致的嘧啶二聚體光解酶催化切除修復(fù)識(shí)別并切除損傷DNA片段DNA聚合酶填補(bǔ)缺口抑制劑與調(diào)控藥物羥基脲核苷酸還原酶抑制劑抗代謝藥物干擾癌細(xì)胞DNA合成核苷類似物嵌入DNA導(dǎo)致鏈終止抗病毒藥物阻斷病毒核酸合成實(shí)驗(yàn)研究中的熱點(diǎn)方法同位素標(biāo)記研究合成路徑與動(dòng)力學(xué)PCR擴(kuò)增核酸序列擴(kuò)增分析酶活性測(cè)定合成關(guān)鍵酶活性分析放射性同位素追蹤32P標(biāo)記磷酸基團(tuán)標(biāo)記監(jiān)測(cè)磷酸轉(zhuǎn)移1?C標(biāo)記碳骨架標(biāo)記追蹤碳流向3H標(biāo)記氫原子標(biāo)記高靈敏度3?S標(biāo)記硫原子標(biāo)記特定分子定位高通量測(cè)序技術(shù)的應(yīng)用讀長(zhǎng)(bp)通量(Gb/run)核酸合成相關(guān)的遺傳病腺苷脫氨酶缺陷ADA基因突變免疫系統(tǒng)發(fā)育障礙SCID嚴(yán)重聯(lián)合免疫缺陷T細(xì)胞和B細(xì)胞缺乏Lesch-Nyhan綜合征HGPRT缺陷尿酸升高、自殘行為合成異常與癌癥DNA合成失控基因復(fù)制錯(cuò)誤增加抑癌基因失活p53、BRCA等突變細(xì)胞增殖失控異常細(xì)胞克隆擴(kuò)增靶向治療針對(duì)異常合成機(jī)制開發(fā)藥物抗病毒藥物與核酸合成核苷類似物阿昔洛韋、利巴韋林嵌入病毒DNA/RNA導(dǎo)致鏈終止抗逆轉(zhuǎn)錄酶藥物齊多夫定、依非韋倫抑制HIV基因組復(fù)制新型抗病毒分子抑制病毒聚合酶干擾病毒核酸合成代謝合成生物學(xué)與核酸工程1人工DNA/RNA合成化學(xué)法合成寡核苷酸基因合成拼接合成長(zhǎng)片段基因編輯CRISPR-Cas9精準(zhǔn)修改全基因組設(shè)計(jì)人工染色體與最小基因組核酸合成的進(jìn)化意義化學(xué)演化簡(jiǎn)單分子形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)RNA世界RNA同時(shí)具備遺傳和催化功能自復(fù)制分子能夠自我復(fù)制的原始分子原始生命核酸與蛋白質(zhì)協(xié)同進(jìn)化現(xiàn)代分子生物實(shí)驗(yàn)室中的核酸合成PCR技術(shù)、引物合成、寡核苷酸合成和CRISPR基因編輯是現(xiàn)代分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的核心技術(shù)合成核酸納米結(jié)構(gòu)DNA納米機(jī)器人精確空間結(jié)構(gòu)控制RNA納米載體靶向藥物遞送系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用疾病診斷與靶向治療未來方向：人工合成生命合成染色體人工設(shè)計(jì)與合成DNA染色體最小基因組構(gòu)建維持生命所需最少基因集人工細(xì)胞以合成基因組驅(qū)動(dòng)的細(xì)胞系統(tǒng)倫理與安全科學(xué)發(fā)展的倫理邊界探討國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀物種間合成機(jī)制比較特征原核生物真核生物古菌DNA聚合酶I、II、III型α、β、δ、ε等多種類似真核型RNA聚合酶單一類型I、II、III型類似真核型復(fù)制起始單一起點(diǎn)多起點(diǎn)單/多起點(diǎn)轉(zhuǎn)錄后加工少量廣泛部分存在重要科學(xué)家及貢獻(xiàn)Watson與CrickDNA雙螺旋結(jié)構(gòu)1953年開創(chuàng)性研究ArthurKornberg首次分離DNA聚合酶體外合成DNAFrederickSangerDNA測(cè)序方法兩次諾貝爾獎(jiǎng)獲得者王志新中國(guó)RNA合成調(diào)控非編碼RNA研究重大科學(xué)突破回顧11953DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)21983PCR技術(shù)發(fā)明32003人類基因組計(jì)劃完成42010首個(gè)合成基因組細(xì)胞常見考點(diǎn)與典型例題1雙途徑辨析區(qū)分denovo與補(bǔ)救途徑特點(diǎn)