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冈崎片段

标签: 自然学科 化学 分子生物学 理学

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概述及发现历史

DNA复制过程中,2条新生链都只能从5'3'端方向延伸,前导链连续合成,滞后链分段合成,这些分段合成的新生DNA片段称冈崎片段Okazaki fragment),细菌冈崎片段长度1000-2000核苷酸残基,真核生物冈崎片段长度100-200核苷酸残基。

 

在连续合成的前导链中,U-糖苷酶和AP内切酶也会在错配碱基U处切断前导链,任何一种DNA聚合酶合成方向都是从5'3'方向延伸,而DNA模板链是反向平行的双链,这样在一条链上,DNA合成方向和复制移动方向相同(前导链),而在另一条模板上却是相反的(后滞链)。那么在复制叉中新链是如何合成的呢?1968年冈崎(Okazaki)及其同事进行了一系列实验,回答了这一问题。冈崎片段名称就是源自最早发现团队的领导者,也就是冈崎令治与冈崎恒子(一对夫妻)的姓氏。其团队是在研究大肠杆菌中的噬菌体DNA复制情形时发现此现象。

 

一组短的DNA片段,是在DNA复制的起始阶段产生的,随后又被连接酶连接形成较长的片段。在大肠杆菌生长期间,将细胞短时间地暴露在氚标记的胸腺嘧啶中,就可证明冈崎片段的存在。冈崎片段的发现为DNA复制的科恩伯格机理提供了依据。

 

冈崎片段之所以存在,是因为DNA聚合酶无法在样板DNA 5'3'的方向上合成DNA,因此只能反向合成在样本DNA上产生了许多以5'3'方向合成的冈崎片段(建立的片段与样本DNA方向相反故依旧是5'3'),再由DNA黏合酶将其黏合。在前导链(领先股)上DNA的合成是连续的,在后滞链(延迟股)上则是不连续的。

 

对冈崎片段的仔细研究表明,与前导链的头几个一样,每一片段5'端的头几个核苷酸均是核糖核苷酸,因此DNA合成是由RNA引导的。这些引物在片段连接之前被去掉,产生的间隙由DNA填补。用RNA引导DNA复制的原因很可能是出于保证DNA复制的高忠实性。

 

试验检测

两组实验,一组是脉冲标记实验(pulse-labelingexperiment)。以E.coli为材料,在培养时,培养基中加入同位素[3H]标记的dTTP,经30秒后,DNA刚开始复制,分离DNA,然后在碱中沉淀,变性,让新合成的单链和模板链分开,再用CsCl密度梯度离心,以沉降的快慢来确定片段的大小,再检测放射标记,结果表明被3H标记的片段,也就是新合成的片段,沉淀系数为20S左右,即都是长1000~2000NtDNA片段,而亲本链要比它大20~50倍;第二组实验是脉冲追逐实验。目的是检测早期合成的DNA片段以后的命运又是如何的?是依然如旧的短片段,还是连接成了长片段。这个实验是先进行标记培养30秒,以后除去同位素继续培养几分钟,再分离DNA在碱中沉淀,检测结果。先合成的(带标记)的DNA不再是短片段,而和总DNA的情况相似,沉淀系数为70S~120S较长的片段,这意味着刚开始合成的片段都是短片段,以后再连接成长片段,人们就把最初合成的短片段称为冈崎片段(Okazakifragment)。

冈崎片段冈崎片段

 

由于这个实验的结果使得人们普遍认为:无论是前导链还是后滞链都是先合成小片段,然后在连成大片段,称为“不连续复制“(discontinuousreplication)。然而由模型预测应该只有一半放射标记存在于小片段中,但实验的结果却全部是小片段DNA,为什么从前导链模板的3-OH端延伸会不连续合成呢?人们在思考这个问题。1978Olivera提出了半不连续(semidiscontinuous)复制模型,也就是说前导链上的合成是连续的,只有后滞链上的合成才是半连续的。已经弄清原来是由于细胞内都存在有dTTPdUTP,而DNApolⅢ却并不能区分它们,因此也会将dUTP加入到DNA中,形成A·U对。那么在DNA中为什么没有U的存在呢?这是因为E.coli细胞里有双重“保险”,防止了U的“混入”。

 

第一道关是细胞里的dUTPase,它能使dUTP变成dUMPdUMP是不能作为DNA合成的底物,这样它就不再能加入DNA中。但总还有些漏网之“鱼”,它们还是逃过此关,混入DNA中,这就靠第二道关来清除“异己”,这道关的主角是尿嘧啶N-糖苷酶(uracilN-glycosylase),它可以切断混合尿苷的糖苷键,形成无PuPy位点(apurinicorapyrimidinicAP),再由AP内切酶在AP位点切出一个缺口,进一步进行切除修复。在细胞内尿嘧啶N-糖苷酶作用较快,而AP酶作用较慢,在新链合成之初约1200bp就有可能掺进一个U,但很快就被尿嘧啶N-糖苷酶切断糖苷键,在AP酶未作用前在脉冲标记实验中就提取了,用NaOH沉淀时,AP位点十分易断裂,所以前导链也成了小片段。以下实验证实了这个解释:

 

(1)dut-突变体(dUTPase缺失)中冈崎片段比在dut+中为短。这是因为U掺入机会增加;(2)ung-(尿嘧啶N-糖苷酶缺失)突变体中,新合成的DNA约有一半由片段组成。(3)因为尿嘧啶N-糖苷酶缺失,不会切除U的糖苷链,也就不会出现AP位点,所以碱沉淀时不易断裂,从而保持了半不连续的原貌。

 

dut-,ung-双突变体中,结果和实验(2)相同,更进一步证实了此推测。真核冈崎片段的成熟机制比较复杂,由Polδ、RNaseHIFEN1Dna2DNA连接酶等多种蛋白质协同通过两种机制加工完成。Polδ的3′→5′核酸外切酶活性能替代FEN1,在冈崎片段成熟中通过阻止过量的DNA链替代合成,保证产生能被DNA连接酶连接的具有单一切口两个DNA片段,有利于保持基因组的稳定性。

 

DNA双链

DNA双链进行半保留复制时,在复制点附近新合成的与亲代DNA链互补的DNA片段。是冈崎令治等(1966)首先发现的。在大肠杆菌约为1-2千核苷酸的长度。DNA聚合酶只使脱氧核苷酸在5′→3′的方向重合。而半保留复制在5′→3′方向重合的同时,在3′→5′方向的重合也是不可缺少的。此矛盾由冈崎片段的发现,以及在其基础上的不连续复制模式而解释了。在复制点,如图所示,首先由DNA聚合酶的作用,在5′→3′方向与亲代DNA分子双方的链互补,由脱氧核苷酸配对重合,形成短的DNA片段,它们再由DNA连接酶的作用而结合起来形成长的DNA分子,并逐渐复制成为DNA双链。

冈崎片段冈崎片段


 

 

 

 

 

 

 

 

 

遗传信息

DNA是遗传信息的载体,故亲代DNA必须以自身分子为模板准确的复制成两个拷贝,并分配到两个子细胞中去,完成其遗传信息载体的使命。而DNA的双链结构对于维持这类遗传物质的稳定性和复制的准确性都是极为重要的。 

冈崎片段冈崎片段


 

 

 

 

 

 

 

DNA的半保留复制

WastonClick在提出DNA双螺旋结构模型时曾就DNA复制过程进行过研究,他们推测,DNA在复制过程中碱基间的氢键首先断裂,双螺旋解旋分开,每条链分别作模板合成新链,每个子代DNA的一条链来自亲代,另一条则是新合成的,故称之为半保留式复制(semiconservativereplication)

 

1958MeselsonStahl进行了实验证明了DNA分子是以半保留方式进行自我复制的。

 

DNA复制的起始,方向和速度

DNA在复制时,双链DNA解旋成两股分别进行。其复制过程的复制起点呈现叉子的形式,故称复制叉。以复制叉向前移动的方向为标准,一条模板链为3'→5'走向,在其上DNA能以5'3'方向连续合成,称为前导链(leadingstrand);另一条模板链为5'3'走向,在其上DNA也是5'3'方向合成,但与复制叉移动的方向正好相反,故随着复制叉的移动形成许多不连续的冈崎片段,最后在连成一条完整的DNA链,该链称为后随链(laggingstrand)。实验证明DNA的复制是由一个固定的起始点开始的。一般把生物体的单个复制单位称为复制子。一个复制子只含一个复制起点。一般说,细菌,病毒即线粒体DNA分子均作为单个复制子完成其复制,真核生物基因组可以同时在多个复制起点上进行双向复制,即它们的基因组包括多个复制子。多方面的实验结果表明,大多数生物内DNA的复制都是从固定的起始点以双向等速方式进行的。复制叉以DNA分子上某一特定顺序为起始点,向两个方向等速生长前进。

 

DNA复制过程

1DNA双螺旋的解旋

DNA在复制时,其双链首先解开,形成复制叉,而复制叉的形成则是由多种蛋白质及酶参与的较复杂的复制过程

 

1)单链DNA结合蛋白(singlestrandedDNAbindingprotein,ssbDNA蛋白)ssbDNA蛋白是较牢固的结合在单链DNA上的蛋白质。原核生物ssbDNA蛋白与DNA结合时表现出协同效应:若第1ssbDNA蛋白结合到DNA上去能力为1,第2个的结合能力可高达103;真核生物细胞中的ssbDNA蛋白与单链DNA结合时则不表现上述效应。ssbDNA蛋白的作用是保证解旋酶解开的单链在复制完成前能保持单链结构,它以四聚体的形式存在于复制叉处,待单链复制后才脱下来,重新循环。所以,ssbDNA蛋白只保持单链的存在,不起解旋作用。

 

2DNA解链酶(DNAhelicase

DNA解链酶能通过水解ATP获得能量以解开双链DNA。这种解链酶分解ATP的活性依赖于单链DNA的存在。如果双链DNA中有单链末端或切口,则DNA解链酶可以首先结合在这一部分,然后逐步向双链方向移动。复制时,大部分DNA解旋酶可沿滞后模板的5'3'方向并随着复制叉的前进而移动,只有个别解旋酶(Rep蛋白)是沿着3'→5'方向移动的。故推测Rep蛋白和特定DNA解链酶是分别在DNA的两条母链上协同作用以解开双链DNA

 

3DNA解链过程

DNA在复制前不仅是双螺旋而且处于超螺旋状态,而超螺旋状态的存在是解链前的必须结构状态,参与解链的除解链酶外还有一些特定蛋白质,如大肠杆菌中的Dna蛋白等。一旦DNA局部双链解开,就必须有ssbDNA蛋白以稳定解开的单链,保证此局部不会恢复成双链。两条单链DNA复制的引发过程有所差异,但是不论是前导链还是后随链,都需要一段RNA引物用于开始子链DNA的合成。因此前导链与后随链的差别在于前者从复制起始点开始按5'3'持续的合成下去,不形成冈崎片段,后者则随着复制叉的出现,不断合成长约23kb的冈崎片段。

 

2.冈崎片段与半不连续复制

DNA的两条链是反向平行的,故在复制叉附近解开的DNA链,一条是5'3'方向,另一条是3'→5'方向,两个模板极性不同。所有已知DNA聚合酶合成方向均是5'3'方向,不是3'→5'方向,因而无法解释DNA的两条链同时进行复制的问题。为解释DNA两条链各自模板合成子链等速复制现象,日本学者冈崎(Okazaki)等人提出了DNA的半连续复制(semidiscontinuousreplication)模型。1968年冈崎用3H脱氧胸苷短时间标记大肠杆菌,提取DNA,变性后用超离心方法得到了许多3H标记的,被后人称作冈崎片段的DNA。延长标记时间后,冈崎片段可转变为成熟DNA链,因此这些片段必然是复制过程中的中间产物。另一个实验也证明DNA复制过程中首先合成较小的片段,即用DNA连接酶温度敏感突变株进行试验,在连接酶不起作用的温度下,便有大量小DNA片段积累,表明DNA复制过程中至少有一条链首先合成较短的片段,然后再由连接酶链成大分子DNA。一般说,原核生物的冈崎片段比真核生物的长。深入研究还证明,前导链的连续复制和滞后链的不连续复制在生物界具有普遍性,故称为DNA双螺旋的半不连续复制。

 

3.复制的引发和终止

所有的DNA的复制都是从一个固定的起始点开始的,而DNA聚合酶只能延长已存在的DNA链,不能从头合成DNA链,新DNA的复制是如何形成的?经大量实验研究证明,DNA复制时,往往先由RNA聚合酶在DNA模板上合成一段RNA引物,再由聚合酶从RNA引物3’端开始合成新的DNA链。对于前导链来说,这一引发过程比较简单,只要有一段RNA引物,DNA聚合酶就能以此为起点,一直合成下去。对于后随链,引发过程较为复杂,需要多种蛋白质和酶参与。后随链的引发过程由引发体来完成。引发体由6种蛋白质构成,预引体或引体前体把这6种蛋白质结合在一起并和引发酶或引物过程酶进一步组装形成引发体。引发体似火车头一样在后随链分叉的方向前进,并在模板上断断续续的引发生成滞后链的引物RNA短链,再由DNA聚合酶III作用合成DNA,直至遇到下一个引物或冈崎片段为止。由RNAH降解RNA引物并由DNA聚合酶I将缺口补齐,再由DNA连接酶将每两个冈崎片段连在一起形成大分子DNA.

冈崎片段冈崎片段


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

端粒和端粒酶

1941年美籍印度人麦克林托克(McClintock)就提出了端粒(telomere)的假说,认为染色体末端必然存在一种特殊结构——端粒已知染色体端粒的作用至少有二:①保护染色体末端免受损伤,使染色体保持稳定;②与核纤层相连,使染色体得以定位。

 

在弄清楚DNA复制过程之后,20世纪70年代科学家对DNA复制时新链5‘端的RNA引物被切除后,空缺是如何被填补的提出了质疑。如不填补岂不是DNA每复制一次就短一点。以后随链复制为例,当RNA引物被切除后,冈崎片段之间是由DNA聚合酶I催化合成的DNA填补之,然后再由DNA连接酶将它们连接成一条完整的链。但是DNA聚合酶I催化合成DNA时,需要自由3’OH作为引物,最后余下子链的5’无法填补,于是染色体就短了一点。在正常体细胞中普遍存在着染色体酶复制一次端粒就短一次的现象。人们推测,可能一旦端粒缩短到某一阈限长度一下时,他们就会发出一个警报,指令细胞进入衰老;或许是当细胞判断出它们的染色体已变得太短了,于是分裂也就停止了,造成正常体细胞寿命有一定界限。但是在癌细胞中染色体端粒却一直维持在一定长度上,这是为什么?这是因为DNA复制后,把染色体末端短缺部分补上需要端粒酶,这是一种含有RNA的酶,它既解决了模板,又解决了引物的问题。在生殖细胞和85%癌细胞中都测出了端粒酶具有活性,但是在正常体细胞中却无活性,20世纪90年代中期,Blackburn首次在原生动物中克隆出端粒酶基因。

 

端粒酶在癌细胞中具有活性,它不仅使癌细胞可以不断分裂增生,而且它为癌变前的细胞或已经是癌性的细胞提供了时间,以积累附加的突变,即等于增加它们复制,侵入和最终转移的能力。同时人们也由此萌生了开发以端粒为靶的药物,即通过抑制癌细胞中端粒酶活性而达到治疗癌症的目的。

 

至于真核细胞DNA末端的结构特点,早就在1978Blackburn就以原生动物四膜出(一种纤毛虫)为例说明之:①迥纹形式的发夹环;②仅由C,A组成的简单序列大量重复(C4A220~70;③链上有许多缺口(nicks)。

 

参考资料:

1. 豆丁网:冈崎片段的发现

2. 生物秀:DNA的复制

 

参考资料
[1].  9001-31-4   http://www.chemmade.com/assistant/chemdic/casDetail-9001-31-4.html

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