第二章 染色体与DNA

1、第二章第二章 染色体与染色体与DNADNA 第一节第一节 染色体染色体 第二节第二节 DNA DNA的结构的结构 第三节第三节 DNA DNA的复制的复制 第四节第四节 原核生物和真核生原核生物和真核生 物物DNADNA复制特点复制特点 第五节第五节 DNA DNA的修复的修复 第六节第六节 DNA DNA的转座的转座 第七节第七节 SNPSNP的理论与应用的理论与应用第一节第一节 染色体（染色体（Chromosome) 1. 1. 染色体概述染色体概述染色体由染色体由DNADNA和蛋白和蛋白质两大部分组成质两大部分组成DNADNA在染色体上，染在染色体上，染色体是色体是DNADNA的载体的载

2、体染色体是细胞内具有遗染色体是细胞内具有遗传性质的物体，易被碱传性质的物体，易被碱性染料染成深色，所以性染料染成深色，所以叫染色体（染色质）叫染色体（染色质）染色体与染色质是同一种物质的两种形态。伸展的染色质形染色体与染色质是同一种物质的两种形态。伸展的染色质形态有利于在它上面的态有利于在它上面的DNADNA储存的信息的表达，而高度螺旋化储存的信息的表达，而高度螺旋化了的棒状染色体则有利于细胞分裂中遗传物质的平分。了的棒状染色体则有利于细胞分裂中遗传物质的平分。染色体与染色质染色体与染色质间期：间期：DNA合成前期合成前期(G1), 合成期合成期(S), 后期后期(G2)人类人类2222对常染

3、色体及性染色体对常染色体及性染色体性染色体扫描电镜图性染色体扫描电镜图同一物种内每条染色体所带同一物种内每条染色体所带DNADNA的量是一定的，但不同染色体的量是一定的，但不同染色体和不同物种之间变化很大，从上百万到几亿个核苷酸不等。和不同物种之间变化很大，从上百万到几亿个核苷酸不等。1.28亿亿0.19亿亿1.1.分子结构相对稳定分子结构相对稳定2.2.能够自我复制，使亲、子代之间保持连续性能够自我复制，使亲、子代之间保持连续性3.3.能够指导蛋白质的合成，从而控制整个生命过程能够指导蛋白质的合成，从而控制整个生命过程4.4.能够产生可遗传的变异能够产生可遗传的变异作为遗传物质染色体应该具备

4、的特性：作为遗传物质染色体应该具备的特性：2. 染色体的组成和结构2.1 2.1 原核生物原核生物(prokaryote)(prokaryote) 一般只有一条大染色体且大都带一般只有一条大染色体且大都带 有单拷贝基因，少数基因（如有单拷贝基因，少数基因（如 rRNA rRNA基因）是以多拷贝形式存在。基因）是以多拷贝形式存在。 整个染色体整个染色体DNADNA几乎全部由功能基因和调控序列几乎全部由功能基因和调控序列所组成。所组成。 几乎每个基因序列都与它所编码蛋白质序列呈线几乎每个基因序列都与它所编码蛋白质序列呈线性对应关系性对应关系2.2.2 2 真核细胞染色体的组成真核细胞染色体的组成

5、真核生物染色体中真核生物染色体中DNADNA相对分子质相对分子质 量一般大大超过原核生物，并结合量一般大大超过原核生物，并结合 有大量的蛋白质，结构非常复杂。有大量的蛋白质，结构非常复杂。 其具体组成成分为：其具体组成成分为：组蛋白、非组蛋白、组蛋白、非组蛋白、DNADNA。 在真核细胞染色体中，在真核细胞染色体中，DNADNA与蛋白质完全融合在一起，其与蛋白质完全融合在一起，其蛋白质与相应蛋白质与相应DNADNA的质量之比约为的质量之比约为2:12:1。这些蛋白质在维持。这些蛋白质在维持染色体结构中起着重要作用。染色体结构中起着重要作用。组蛋白组蛋白： H1 H2A H2B H3 H4非组蛋

6、白非组蛋白核小体核小体DNA蛋白质蛋白质染色体染色体组蛋白：组蛋白：一组进化上非常保守的碱性蛋白质，其中碱一组进化上非常保守的碱性蛋白质，其中碱性氨基酸性氨基酸(Arg(Arg，Lys)Lys)约占约占25%25%，存在于真核生物染色，存在于真核生物染色质，分为质，分为5 5种类型种类型(H1(H1，H2AH2A，H2BH2B，H3H3，H4)H4)，后，后4 4种种各各2 2个形成组蛋白八聚体，构成核小体的核心，占核个形成组蛋白八聚体，构成核小体的核心，占核小体质量的一半。小体质量的一半。 2.2.2.2.1.1 1.1 组蛋白组蛋白2.2.2.2.1 1 蛋白质蛋白质H3H3和和H4H4富

7、含精氨酸；富含精氨酸；H1H1富含赖氨酸；富含赖氨酸；H2AH2A和和H2BH2B介于两者介于两者之间之间组蛋白的一般特性：组蛋白的一般特性：1. 1. 进化上的保守性进化上的保守性不同种生物组蛋白的氨基酸组成是十分相似的。对稳定真不同种生物组蛋白的氨基酸组成是十分相似的。对稳定真核生物的染色体结构起着重要的作用。核生物的染色体结构起着重要的作用。2.2.2.2.1.1 1.1 组蛋白组蛋白2.2.2.2.1 1 蛋白质蛋白质牛、猪、大鼠的牛、猪、大鼠的H4H4氨基酸氨基酸序列完全相同序列完全相同; ;牛的牛的H4H4序列与豌豆序列相序列与豌豆序列相比只有两个氨基酸的差异比只有两个氨基酸的差异

8、; ;H3H3的保守性也很大，鲤鱼的保守性也很大，鲤鱼与小牛胸腺的与小牛胸腺的H3H3只差一个只差一个氨基酸，小牛胸腺与豌豆氨基酸，小牛胸腺与豌豆H3H3只差只差4 4个氨基酸。个氨基酸。2. 2. 无组织特异性无组织特异性 到目前为止，仅发现鸟类、鱼类及两栖类到目前为止，仅发现鸟类、鱼类及两栖类红细胞红细胞染色体不含染色体不含H1H1而带有而带有H5H5，精细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白，精细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白3. 3. 肽链氨基酸分布的不对称性肽链氨基酸分布的不对称性碱性氨基酸集中分布在碱性氨基酸集中分布在N N端的半条链上。例如，端的半条链上。例如，N N端的半条链上净电荷为端的半

9、条链上净电荷为+16+16，C C端只有端只有+3+3，大部分疏水基团都分布在，大部分疏水基团都分布在C C端。端。4. 4. H5H5组蛋白的特殊性组蛋白的特殊性 富含赖氨酸富含赖氨酸24%24%、丙氨酸、丙氨酸16% 16% 、丝氨酸、丝氨酸13%13%、精氨酸、精氨酸11%11%。 鸟类、两栖类、鸟类、两栖类、鱼类红细胞分离的鱼类红细胞分离的H5H5均有种的特异性。均有种的特异性。H5H5的磷酸化可能与染色质失的磷酸化可能与染色质失活过程有关！活过程有关！ 5. 5. 组蛋白的可修饰性组蛋白的可修饰性包括甲基化、乙基化、磷酸化包括甲基化、乙基化、磷酸化2.2.2.2.1.2 1.2 非组

10、蛋白非组蛋白非组蛋白：指非组蛋白：指细胞核细胞核中组蛋白以外的酸性中组蛋白以外的酸性蛋白质蛋白质 非组蛋白不仅包括以非组蛋白不仅包括以DNADNA作为底物的作为底物的酶酶，也包括作用于组，也包括作用于组蛋白的一些酶蛋白的一些酶, , 如组蛋白甲基化酶。此外还包括如组蛋白甲基化酶。此外还包括DNADNA结合结合蛋白、组蛋白结合蛋白和调节蛋白。由于非组蛋白常常蛋白、组蛋白结合蛋白和调节蛋白。由于非组蛋白常常与与DNADNA或组蛋白结合或组蛋白结合, , 所以在染色质或染色体中均有非组所以在染色质或染色体中均有非组蛋白的存在蛋白的存在, , 如如染色体染色体骨架蛋白。骨架蛋白。 非组蛋白大约占组蛋白

11、总量的非组蛋白大约占组蛋白总量的60%-70%60%-70%，种类很多，约种类很多，约20-10020-100种，常见的有种，常见的有15-2015-20种。种。 v真核细胞染色体的真核细胞染色体的DNA如图所示，经过如图所示，经过四级压缩，长度压缩四级压缩，长度压缩将近将近10000倍。倍。v四级分别为：四级分别为：n核小体核小体n螺线管螺线管n超螺旋圆筒超螺旋圆筒n染色单体染色单体3.3.真核细胞染色体的结构真核细胞染色体的结构核小体核小体 (nucleosomes)核小体核小体 (nucleosomes)核小体是由核小体是由H2A、H2B、H3、H4各两个分子生各两个分子生成的成的八聚体

12、八聚体和由大约和由大约200bpDNA组成的。八组成的。八聚体在中间，聚体在中间，DNA分子分子盘绕在外，而盘绕在外，而H1则在核则在核小体的外面。每个核小小体的外面。每个核小体只有一个体只有一个H1, 压缩比压缩比为为7。146 bp1.75圈圈核小体组成核小体组成念珠状结构念珠状结构，有一条细丝连着一串直，有一条细丝连着一串直径为径为10nm10nm的球状体。的球状体。 螺线管是由螺线管是由10nm10nm染色质细丝染色质细丝盘绕形成的螺旋管状细盘绕形成的螺旋管状细丝，表现为丝，表现为30nm30nm纤维。纤维。 螺线管每一螺旋包含螺线管每一螺旋包含6 6个核小体，压缩比为个核小体，压缩比

13、为6 6。 这种螺线管是分裂这种螺线管是分裂间间期和分裂期和分裂前前期染色体的基本组期染色体的基本组分。分。螺线管螺线管 中期染色质是一细长、中空的圆筒，中期染色质是一细长、中空的圆筒，直径直径4000nm4000nm，6 6个环状个环状DNADNA构成莲座状构成莲座状结构。由结构。由30nm30nm的螺线管缠绕而成，压的螺线管缠绕而成，压缩比为缩比为4040。 超螺旋圆筒超螺旋圆筒 染色单体染色单体染色单体由超螺旋圆筒再压缩染色单体由超螺旋圆筒再压缩5 5倍而成。倍而成。 基因组很小，大多只有一条染色体基因组很小，大多只有一条染色体* *p30p30 结构简炼结构简炼* * 存在转录单元存在

14、转录单元(trnascriptional operon)(trnascriptional operon)* * X174 (60%) D-E-J-F-G-H mRNA 蛋白蛋白J、F、G (多顺反子）多顺反子） H ，D E4.1 4.1 原核生物基因组结构特点原核生物基因组结构特点4. 4. 原核生物和真核生物基因组结构特点比较原核生物和真核生物基因组结构特点比较 有重叠基因（有重叠基因（SangerSanger发现）：发现）：同一段同一段DNADNA含有两种不同蛋白质的信息。含有两种不同蛋白质的信息。基因内基因基因内基因 部分重叠基因部分重叠基因 一个碱基重叠一个碱基重叠*4.2 4.2

15、真核生物基因组结构特点（真核生物基因组结构特点（P29)P29)真核基因组结构庞大真核基因组结构庞大 人类：30亿个碱基对，3000M bp。单顺反子单顺反子非编码区较多非编码区较多 多于编码序列多于编码序列(9:1)(9:1)含有大量重复序列含有大量重复序列基因不连续性基因不连续性, ,是断裂基因（是断裂基因（interrupted geneinterrupted gene）内含子内含子(intron)(intron)、 外显子外显子(exon)(exon)真核基因组中存在大量的顺式作用元件，真核基因组中存在大量的顺式作用元件，包括启动子，包括启动子，增强子，沉默子等；增强子，沉默子等；真核

16、基因组中存在大量真核基因组中存在大量DNADNA多态性。多态性。DNADNA多态性是指多态性是指DNADNA序列中发生变异而导致的个体间核苷酸序列的差序列中发生变异而导致的个体间核苷酸序列的差异，主要包括像异，主要包括像SSR, SNPSSR, SNP等；等；真核基因组具有端粒结构真核基因组具有端粒结构，端粒是真核生物线性基因组，端粒是真核生物线性基因组DNADNA末端的一种特殊结构，它是一段末端的一种特殊结构，它是一段DNADNA序列和蛋白质的复合体。序列和蛋白质的复合体。 DNA的一级结构构成构成DNA和和RNA核苷酸的结构和连接方式核苷酸的结构和连接方式DNA的二级结构的二级结构DNA的

17、二级结构主的二级结构主要是各种形式的螺要是各种形式的螺旋，特别是旋，特别是B-型双型双螺旋，此外还有螺旋，此外还有A-型双螺旋、型双螺旋、Z-型双型双螺旋等螺旋等Happy Birthday,Double Helix 62Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid (Nature, April 25, 1953. volume 171:737-738.) ? The novel feature of the structure is the manner in which the

18、two chains are held together by the purine and pyrimidine bases. The (bases) are joined together in pairs, a single base from one chain being hydrogen-bonded to a single base from the other chain, so that the two lie side by side.One of the pair must be a purine and the other a pyrimidine for bondin

19、g to occur. .Only specific pairs of bases can bond together. These pairs are: adenine (purine) with thymine (pyrimidine), and guanine (purine) with cytosine (pyrimidine). ? .in other words, if an adenine forms one member of a pair, on either chain, then on these assumptions the other member must be

20、thymine; similarly for guanine and cytosine. The sequence of bases on a single chain does not appear to be restricted in any way. However, if only specific pairs of bases can be formed, it follows that if the sequence of bases on one chain is given, then the sequence on the other chain is automatica

21、lly determined. ? .It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material. The structure itself suggested that each strand could separate and act as a template for a new strand, therefore doubling the amou

22、nt of DNA, yet keeping the genetic information, in the form of the original sequence, intact. 已步入古稀之年的已步入古稀之年的Watson（左）和（左）和Crick（右）在讨论（右）在讨论DNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型B型双螺旋型双螺旋 DNA二级结构的主要形式为二级结构的主要形式为James Watson和和Francis Crick于于1953年提出的年提出的B型双螺型双螺旋，其主要内容是：旋，其主要内容是：（1）DNA由两条呈反平行的多由两条呈反平行的多聚核苷酸链组成，两条链相互聚核苷酸链组

23、成，两条链相互缠绕形成右手双螺旋；缠绕形成右手双螺旋；（2）组成右手双螺旋的两条链是）组成右手双螺旋的两条链是互补的，它们通过特殊的碱基互补的，它们通过特殊的碱基对结合在一起，碱基配对规则对结合在一起，碱基配对规则是一条链上的是一条链上的A总是与另一条总是与另一条链的链的T，G总是和总是和C以氢键配对以氢键配对。其中。其中AT碱基对有二个氢键，碱基对有二个氢键，GC碱基对有碱基对有3个氢键；个氢键；（3）碱基对位于双螺旋的内部，）碱基对位于双螺旋的内部，并垂直于暴露在外的脱氧核糖磷并垂直于暴露在外的脱氧核糖磷酸骨架。碱基对之间通过疏水键酸骨架。碱基对之间通过疏水键和范德华力相互垛叠在一起，对和

24、范德华力相互垛叠在一起，对双螺旋的稳定起一定的作用；双螺旋的稳定起一定的作用；（4）双螺旋的表面含有明显的大）双螺旋的表面含有明显的大沟和小沟，其宽度分别为沟和小沟，其宽度分别为2.2 nm和和1.2 nm；（5）双螺旋的其它常数包括相邻）双螺旋的其它常数包括相邻碱基对距离为碱基对距离为0.34nm，并相差，并相差约约36。螺旋的直经为。螺旋的直经为2nm，每一转完整的螺旋含有每一转完整的螺旋含有10个碱个碱基对，其高度为基对，其高度为3.4nmB型双螺旋型双螺旋AT和和GC碱基对的配对性质碱基对的配对性质DNA湿纤维的湿纤维的X射线衍射图射线衍射图DNA分子中不同碱基之间的可能配对分子中不同

25、碱基之间的可能配对双螺旋稳定的因素双螺旋稳定的因素（1）氢键）氢键 氢键固然重要，但它们主要决定碱基配对的特异氢键固然重要，但它们主要决定碱基配对的特异性，而对双螺旋稳定的贡献不是最重要的。对双螺旋性，而对双螺旋稳定的贡献不是最重要的。对双螺旋稳定起决定性作用的是碱基的堆积力。稳定起决定性作用的是碱基的堆积力。（2）碱基堆积力）碱基堆积力 这是碱基对之间在垂直方向上的相互作用所产生这是碱基对之间在垂直方向上的相互作用所产生的力。它包括疏水作用和范德华力。碱基间相互作用的力。它包括疏水作用和范德华力。碱基间相互作用的强度与相邻碱基之间环重叠的面积成正比。总的趋的强度与相邻碱基之间环重叠的面积成正

26、比。总的趋势是嘌呤与嘌呤之间势是嘌呤与嘌呤之间嘌呤与嘧啶之间嘌呤与嘧啶之间嘧啶与嘧啶之嘧啶与嘧啶之间。另外碱基的甲基化能提高碱基的堆积力。间。另外碱基的甲基化能提高碱基的堆积力。（3）阳离子或带正电荷的化合物对磷酸基团的中和。）阳离子或带正电荷的化合物对磷酸基团的中和。A-DNAA-RNA大沟小沟JA : right-handed, short and broad, 2.3 , 11 bp per turn JB: right-handed, longer, thinner, 3.4 , 10 bp per turn JZ: left-handed, longest, thinnest, 3.

27、8 , 12 bp per turnA型双螺旋型双螺旋B型双螺旋型双螺旋Z型双螺旋型双螺旋外形外形短而宽短而宽长而瘦长而瘦长而细长而细每碱基对上升距每碱基对上升距离离0.23nm0.3320.19nm0.38nm螺旋直经螺旋直经2.55nm2.37nm1.84nm螺旋方向螺旋方向右手右手右手右手左手左手螺旋内每重复单螺旋内每重复单位的位的bp数数112每圈每圈bp数数111012碱基夹角碱基夹角32.7 734.6 660 0/2螺距螺距2.46nm3.32nm4.56nm碱基对倾角碱基对倾角191.24.19螺旋轴位置螺旋轴位置大沟大沟穿过碱基对穿过碱基对小沟小沟大沟大沟极度窄、很深极度窄、

28、很深很宽，深度中等很宽，深度中等平坦平坦小沟小沟很宽、浅很宽、浅窄，深度中等窄，深度中等极度窄、很深极度窄、很深糖苷键构象糖苷键构象反式反式反式反式C为反式，为反式，G为顺为顺式式糖环折叠糖环折叠C3内式内式C2内式内式嘧啶嘧啶C2内式，嘌内式，嘌呤呤C3内式内式存在存在双 链双 链 R N A ，RNA/DNA杂交杂交双 链 ， 低 湿 度双 链 ， 低 湿 度 DNA（75）双链双链DNA（高湿（高湿度，度，92）嘧啶和嘌呤交替存嘧啶和嘌呤交替存在的双链在的双链DNA或或DNA链上嘧啶和嘌链上嘧啶和嘌呤交替存在的区域呤交替存在的区域A型双螺旋、型双螺旋、B型双螺旋和型双螺旋和Z型双螺旋的比

29、较型双螺旋的比较DNA的三级结构的三级结构超螺旋超螺旋如果通过某种手段使得如果通过某种手段使得DNA双螺旋每一圈的碱基对数目多于双螺旋每一圈的碱基对数目多于或少于或少于10对，将导致对，将导致DNA双螺旋缠绕过多或缠绕不足；如果双螺旋缠绕过多或缠绕不足；如果这时的这时的DNA两端被固定或者两端被固定或者DNA本来是共价闭环的，这张力本来是共价闭环的，这张力无法释放而自发地形成超螺旋结构。无法释放而自发地形成超螺旋结构。DNA超螺旋分为正超螺旋和负超螺旋，其中正超螺旋为右手超螺旋分为正超螺旋和负超螺旋，其中正超螺旋为右手超螺旋，由超螺旋，由DNA双螺旋过度缠绕引起，负超螺旋为左手超螺双螺旋过度缠

30、绕引起，负超螺旋为左手超螺旋，由旋，由DNA双螺旋缠绕不足引起双螺旋缠绕不足引起。 正超螺旋正超螺旋 负超螺旋负超螺旋 DNA的三级结构 DNA的三级结构左手左手右手右手第三节第三节 DNA的复制的复制的半保留复制的半保留复制 * *（P P3737) )遗传物质遗传物质DNADNA通过半保留复制的方式传递给子代通过半保留复制的方式传递给子代 * *（P P3838) )复制起点（复制起点（originorigin，ori ori ，复，复制原点制原点）复制开始处复制开始处DNA分子的特定位置分子的特定位置l 原核生物（原核生物（Prokaryote）：单复制起点单复制起点，整个染色，整个染色

31、体只有一个复制单位体只有一个复制单位 2. 2. 复制的起点、方向和速度复制的起点、方向和速度 many bacteriophage and viral DNA molecules are circles and comprise single replications（单复制子）（单复制子）真核生物（真核生物（EukaryoteEukaryote） : :多复制起点多复制起点真核生物的多复制子真核生物的多复制子 多个复制眼多个复制眼DNADNA复制的几种主要方式复制的几种主要方式 （1）线性）线性DNA双链的复制；双链的复制； 复制叉的生长方式有单一起点单向（腺病毒）复制叉的生长方式有单一起

32、点单向（腺病毒）及双向及双向(T7噬菌体噬菌体)和多个起点的双向和多个起点的双向 (真核生物真核生物)；（2）环状）环状DNA双链的复制：双链的复制：型、滚环型、型、滚环型、D环环型型原核细胞是研究原核细胞是研究DNADNA复制的复制的最佳的实验系统。最佳的实验系统。特点：细胞小，生活周期短，特点：细胞小，生活周期短，易在人工条件下培养，原核易在人工条件下培养，原核生物易获得各种突变体。生物易获得各种突变体。原核生物中的原核生物中的大肠杆菌大肠杆菌是在是在各方面研究最深入的一种。各方面研究最深入的一种。DNADNA复制研究选材复制研究选材1.1.原核生物原核生物DNADNA复制的特点复制的特点

33、DNADNA复制过程需要多种酶和蛋白质的参与复制过程需要多种酶和蛋白质的参与大肠杆菌大肠杆菌(E. coli)的的 OriC 复制原点复制原点大肠杆菌基因组的复制原点位于天冬酰胺合大肠杆菌基因组的复制原点位于天冬酰胺合成酶和成酶和ATP合成酶操纵子之间，全长合成酶操纵子之间，全长245 bp, 称为称为oriC。3 3个连续的个连续的13bp13bp的串联的串联重复序列，富含重复序列，富含A-TA-T4 4个个9bp9bp的保守序列，的保守序列，能与能与DnaADnaA结合结合大肠杆菌大肠杆菌(E. coli) OriC结构特点结构特点E.coli E.coli 的的orioriC C结构模式

34、：结构模式：a.a.OriOriC C内富含内富含A-TA-T序列和序列和4 4个个9 9碱基对重复序列的分布；碱基对重复序列的分布；b.b.在在orioriC C处复制起始模式处复制起始模式由大肠杆菌由大肠杆菌oriC复制起始点复制起始点处引发的处引发的DNA复制过程复制过程大约大约20个个DnaA蛋白在蛋白在ATP的作用下的作用下与与oriC处的处的4个个9 bp保守序列相结合。保守序列相结合。在在Hu蛋白和蛋白和ATP的共同作用下，的共同作用下， DnaA复制起始复合物使复制起始复合物使3x13 bp直接直接重复序列变形，形成开链。重复序列变形，形成开链。DnaB（解链酶）六体分别与单链

35、（解链酶）六体分别与单链DNA相结合（需要相结合（需要DnaC的帮助）进的帮助）进一步解开一步解开DNA双链。双链。与引物结合，起始与引物结合，起始DNA复制。复制。 1.1 DNA1.1 DNA双螺旋的解旋双螺旋的解旋 首先在首先在拓扑异构酶拓扑异构酶的作用下的作用下解开负超螺旋，并由解开负超螺旋，并由DNADNA解解链酶链酶(DNA helicase) DnaB(DNA helicase) DnaB解开双链解开双链; ; 接着由接着由SSBSSB蛋白蛋白( (单链结合蛋单链结合蛋白）白）来稳定解开的单链，以来稳定解开的单链，以保证该局部结构不会恢复为保证该局部结构不会恢复为双链。双链。 在

36、在RNARNA引物引物的引导下起始子的引导下起始子链的合成链的合成DNADNA解链酶解链酶RNARNA引物引物D DN NA A结结合合蛋蛋白白DNADNA拓扑异构酶拓扑异构酶1.1.1 DNA解链酶解链酶 (DNA helicase) l模板对复制的指导作用在于碱基的准确配对，而碱基却埋模板对复制的指导作用在于碱基的准确配对，而碱基却埋在双螺旋的内部。只有把在双螺旋的内部。只有把DNADNA解开成单链，才能起模板作用。解开成单链，才能起模板作用。l通过水解通过水解ATPATP获得能量来解开双链获得能量来解开双链DNADNA；方向为；方向为5 5 3 3。DNADNA双螺旋的解旋双螺旋的解旋大

37、肠杆菌中大肠杆菌中解旋酶解旋酶DnaB作为引发体成员，参与复制叉的形作为引发体成员，参与复制叉的形成，利用成，利用ATP水解的能量解开双螺旋，推动复制叉向前延伸水解的能量解开双螺旋，推动复制叉向前延伸 解旋酶沿着复制叉向前延伸产生了一段单链，细胞解旋酶沿着复制叉向前延伸产生了一段单链，细胞内大量的单链结合蛋白能和单链结合，防止其重新内大量的单链结合蛋白能和单链结合，防止其重新配对形成双链配对形成双链1.1.2 单链结合蛋白（单链结合蛋白（SSB）SSBSSB的作用：的作用：1.1.使使DNADNA单链保持一种伸展构象，它们与磷酸骨架结单链保持一种伸展构象，它们与磷酸骨架结 合，离开暴露的碱基，

38、所以那些碱基可以作为合，离开暴露的碱基，所以那些碱基可以作为DNADNA合成的合成的模板；模板；2.2.使解开的单链不形成发卡结构；使解开的单链不形成发卡结构；3.3.保护保护DNADNA单链不受单链不受DnaseDnase水解。水解。SSBSSB结合结合DNADNA单链，有的具有单链，有的具有协同性协同性(cooperative binding) (cooperative binding) ：一个一个SSBSSB四聚体结合于单链四聚体结合于单链DNADNA上可以促进其他上可以促进其他SSBSSB四聚体现相四聚体现相邻的单链邻的单链DNADNA结合。结合。SSBSSB可以重复使用，当新生的可以

39、重复使用，当新生的DNADNA链合成到某一位置时，链合成到某一位置时，该处的该处的SSBSSB便会脱落，并被重复利用便会脱落，并被重复利用 拓扑异构体（拓扑异构体（topoisomer)topoisomer)：具：具有不同螺旋数的同一有不同螺旋数的同一DNADNA分子两分子两种异构体。种异构体。拓扑异构酶拓扑异构酶：可使：可使DNADNA的两种拓的两种拓扑异构体互变的酶。扑异构体互变的酶。DNADNA在细胞内以超螺旋状态存在，在细胞内以超螺旋状态存在，DNADNA拓扑酶催化同一拓扑酶催化同一DNADNA分子不同分子不同超螺旋状态之间的转变。超螺旋状态之间的转变。拓扑异构酶的功能：与拓扑异构酶的

40、功能：与DNADNA形成形成共价结合中间体，使共价结合中间体，使DNADNA磷酸二磷酸二酯键断裂，形成酯键断裂，形成DNA nickDNA nick，DNADNA的一条链进行解旋，旋转而改变的一条链进行解旋，旋转而改变DNADNA分子的拓扑状态。分子的拓扑状态。1.1.3 DNA拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶可使拓扑异构酶可使DNA发生：连环化（发生：连环化（catenate)；脱连；脱连环化环化(decatenate)；打结（；打结（knot)；解结（；解结（unknot)1.2 DNA1.2 DNA复制的引发复制的引发DNA DNA 合成时需要一段合成时需要一段RNARNA作为引物，它是由

41、引物酶合成的。作为引物，它是由引物酶合成的。引物酶以单链引物酶以单链DNADNA为模板，利用核糖核苷酸直接从头合成为模板，利用核糖核苷酸直接从头合成RNARNA（6-10nt)6-10nt)，作为，作为DNADNA合成的引物。合成的引物。无论前导链还是后随链开始无论前导链还是后随链开始DNADNA合成时，都需要合成时，都需要RNARNA引物引物引发复制，对于前导链来说这一引发过程比较简单，只引发复制，对于前导链来说这一引发过程比较简单，只要有一段要有一段RNARNA引物，引物，DNADNA聚合酶就能以此为起点一直合成聚合酶就能以此为起点一直合成下去。下去。但对于后随链来说，引发过程就复杂多了，

42、需要多种蛋但对于后随链来说，引发过程就复杂多了，需要多种蛋白质和酶的协同作用，还牵涉冈崎片段的形成和链接。白质和酶的协同作用，还牵涉冈崎片段的形成和链接。引发体的形成引发体的形成后随链的引发过程是由引发体完成，这需要很多蛋白因后随链的引发过程是由引发体完成，这需要很多蛋白因子的参与。子的参与。 DnaADnaA蛋白识别起始序列并结合于蛋白识别起始序列并结合于oriCoriC的的9bp9bp重复序列，重复序列，形成形成oriCoriC负超螺旋包裹在外，负超螺旋包裹在外，20-4020-40个个DnaADnaA蛋白在内的蛋白在内的复合物。复合物。HUHU蛋白参与并促进蛋白参与并促进DnaADnaA

43、蛋白识别蛋白识别3 3个个13bp13bp串联重复序串联重复序列使列使DNADNA熔链形成开放复合物，解链部分约为熔链形成开放复合物，解链部分约为45bp45bp。DnaBDnaB和和DnaCDnaC（引发体成员）（引发体成员）蛋白进入熔链区形成前引物复蛋白进入熔链区形成前引物复合体，合体，DnaCDnaC可推动解旋酶可推动解旋酶DnaBDnaB与与DNADNA的结合。的结合。SSBSSB结合在被解开的单链上，结合在被解开的单链上，由由n n、n n、n n”、DnaBDnaB、DnaCDnaC和和DnaIDnaI等等6 6种蛋白质组成引发前体种蛋白质组成引发前体(preprimosome)(

44、preprimosome)。引发前体进一步与引物引发前体进一步与引物酶酶(DnaG(DnaG，primase)primase)组装成组装成引发体引发体(primosome)(primosome)。 DNA polDNA pol组装和复组装和复制叉上二聚体形成。制叉上二聚体形成。 引发体在复制叉先合成引发体在复制叉先合成先导链的先导链的RNARNA引物，再合引物，再合成后滞链的引物。成后滞链的引物。引发体在滞后链上沿引发体在滞后链上沿5 533方向相对移动，并在模板链方向相对移动，并在模板链上断断续续地引发生成滞后链的引物上断断续续地引发生成滞后链的引物RNARNA，供，供DNADNA聚合酶聚合

45、酶合合成冈崎片段使用。在成冈崎片段使用。在RNARNA引物引物3 3端端DNADNA开始聚合。开始聚合。 35OK !How ?5353合成方向的问题：合成方向的问题： DNADNA聚合酶只能以聚合酶只能以5353方向合成方向合成DNA;DNA; 事实上没有发现事实上没有发现DNADNA能按能按3535合成的证据合成的证据1.3 1.3 冈崎片段与半不连续复制冈崎片段与半不连续复制为了解释为了解释DNA的等速的等速复制现象复制现象,日本学者冈崎日本学者冈崎(Okazaki)等提出了等提出了DNA的的 半 不 连 续 复 制 模 型半 不 连 续 复 制 模 型(semi-discontinuo

46、us replication).DNA 的半不连续复制：的半不连续复制：semi-discontinuousOkazakis (1968)；Reiji Okazaki was born near Hiroshima, Japan, in 1930. He was a teenager there at the time of the explosion of the first of two nuclear bombs that the US dropped at the end of World War II. His scientific career was cut short by h

47、is untimely death from cancer in 1975 at the age of 44, perhaps related to his exposure to the fallout of that blast.*46在在DNA上存在着复制终止位点，复制叉在此位点相遇上存在着复制终止位点，复制叉在此位点相遇E.coli的的DNA复制终点序列（复制终点序列（23bp）：）：AATTAGTATGTTGTAACTAAAGTTTAATCATACAACATTGATTTCA终止序列可被终止序列可被Tus蛋白（蛋白（tus基因编码）识别，并结合于其上，基因编码）识别，并结合于其上，阻止

48、阻止DnaB的解链作用，使的解链作用，使DNA复制在终止位点终止。复制在终止位点终止。1.4 复制终止复制终止大肠杆菌大肠杆菌DNA复复制终止区的结构制终止区的结构 E.coliE.coli的两个复制叉在相距终点的两个复制叉在相距终点100kb100kb时，复制速度减慢，时，复制速度减慢，从而协调从而协调2 2个复制叉到达的时间。个复制叉到达的时间。 子代子代DNA的分离的分离 解链解链复制体解体复制体解体解开缠绕解开缠绕连锁体分离连锁体分离 已知大肠杆菌存在已知大肠杆菌存在DNA聚合酶聚合酶I、II、III、IV和和V。 DNA聚合酶聚合酶I 非主要聚合酶，可确保非主要聚合酶，可确保DNA合

49、成的准合成的准确性，去除冈崎片段确性，去除冈崎片段5端端RNA引物，使冈崎片段引物，使冈崎片段缺口消失。缺口消失。 DNA聚合酶聚合酶II 主要生理功能为修复主要生理功能为修复DNA。 DNA聚合酶聚合酶III 为主导聚合酶。为主导聚合酶。 DNA聚合酶聚合酶IV和和V主要在主要在SOS修复中起作用。修复中起作用。原核生物原核生物DNA聚合酶聚合酶1.5 DNA聚合酶聚合酶DNA Polymerase I科恩伯格等（科恩伯格等（19561956）在）在大肠杆菌提取液中发现大肠杆菌提取液中发现的的DNADNA聚合酶，因此也被聚合酶，因此也被称为科恩伯格酶称为科恩伯格酶 不可思议不可思议!l53外

50、切核酸酶外切核酸酶l 35外切核酸酶外切核酸酶l 53DNA聚合酶聚合酶DNA聚合酶聚合酶 I一条单一肽链至少具有三种不同的酶活性！一条单一肽链至少具有三种不同的酶活性！DNA聚合酶聚合酶I 不是复制大肠杆菌染色体的主要聚不是复制大肠杆菌染色体的主要聚合酶，它有合酶，它有 35核酸外切酶活性核酸外切酶活性,保证了保证了DNA复制的准确性复制的准确性。它的它的5 3核酸外切酶活性也可用来除去冈崎片核酸外切酶活性也可用来除去冈崎片段段5端端RNA引物，使冈崎片段间缺口消失，引物，使冈崎片段间缺口消失，保证连保证连接酶将片段连接起来接酶将片段连接起来。DNADNA聚合酶聚合酶IIII的活性很低，只有

51、的活性很低，只有DNADNA聚合酶聚合酶I I的的5%5%，所以也不是复制中主要的酶。具有，所以也不是复制中主要的酶。具有5 533方方向聚合酶活性和向聚合酶活性和3 355核酸外切酶活性。核酸外切酶活性。生理功能主要是生理功能主要是起修复起修复DNADNA的作用的作用。DNA Polymerase IIDNA Polymerase III 它的它的聚合活性较强聚合活性较强，为，为DNADNA聚合酶聚合酶I I的的1515倍，聚倍，聚 合酶合酶IIII的的300300倍。倍。它能在引物的它能在引物的3 3OHOH上以每分钟约上以每分钟约5 5万个核苷酸万个核苷酸的速率延长新生的的速率延长新生的

52、DNADNA链，是大肠杆菌链，是大肠杆菌DNADNA复制中链复制中链延长反应的延长反应的主导聚合酶主导聚合酶。DNA Polymerase IIItwo halves of sliding clampclamped polymerase tethered on DNADNA聚合酶聚合酶I(去除冈崎片段去除冈崎片段5端端RNA引物引物）DNA聚合酶聚合酶I、II、III(校正活性校正活性)DNA聚合酶聚合酶III (主要的合成酶主要的合成酶) DNADNA聚合酶聚合酶IVIV和和V V分别由分别由dinBdinB和和umuDumuD2 2C C基因编码，基因编码， 主要在主要在SOSSOS修复过

53、程修复过程中发挥功能。中发挥功能。DNA Polymerase IV& V1 1、都以、都以dNTP为底物为底物。2、都需要、都需要Mg2+激活激活。3、聚合时必须有、聚合时必须有模板链模板链和具有和具有 3-OH末端的末端的引物链引物链。4、链的延伸都方向为、链的延伸都方向为53。DNA聚合酶的共同点：聚合酶的共同点：三种酶都只有三种酶都只有聚合酶的功能，而没有聚合酶的功能，而没有聚合酶功能，说明聚合酶功能，说明DNADNA链的延伸只能从链的延伸只能从5 5向向3 3端进行端进行。它们都没有直接起始合成它们都没有直接起始合成DNADNA的能力，只能在引物的能力，只能在引物存在下进行链

54、的延伸，因此，存在下进行链的延伸，因此，DNADNA的合成的合成必须有引必须有引物引导物引导才能进行。才能进行。三种酶都有核酸外切酶的功能，可对合成过程中三种酶都有核酸外切酶的功能，可对合成过程中的错误进行校正，而保证的错误进行校正，而保证DNADNA复制的高度准确性。复制的高度准确性。 1.6 DNA1.6 DNA连接酶（连接酶（DNA LigaseDNA Ligase）催化单链DNA切口上5-P和3-OH形成磷酸二酯键2.2.真核生物中真核生物中DNADNA的复制特点的复制特点(1) (1) 特点：特点：2 2) )、冈崎片段长约、冈崎片段长约200 bp.200 bp.3 3) )、真核

55、生物、真核生物DNADNA复制速度比原核慢。复制速度比原核慢。4 4) )、真核生物染色体在全部复制完之前起点不再重新开始复、真核生物染色体在全部复制完之前起点不再重新开始复制；而在快速生长的原核中，起点可以连续发动复制。制；而在快速生长的原核中，起点可以连续发动复制。真核生物快速生长时，往往采用更多的复制起点。真核生物快速生长时，往往采用更多的复制起点。5 5) )、真核生物有多种（、真核生物有多种（1515种以上）种以上）DNADNA聚合酶。聚合酶。6 6) )、真核生物线性染色体两端有端粒结构，防止染色体间的、真核生物线性染色体两端有端粒结构，防止染色体间的 末端连接。由端粒酶负责新合成

56、链末端连接。由端粒酶负责新合成链5 5 RNARNA引物切除后的填引物切除后的填补，亦保持补，亦保持端粒的一定长度端粒的一定长度。1 1) )、真核生物染色体有多个复制起点，多复制眼，呈双向复制，、真核生物染色体有多个复制起点，多复制眼，呈双向复制，多复制子；多复制子；真核生物的真核生物的DNADNA复制只在复制只在S S期期进行进行原核生物染色体原核生物染色体DNADNA复制复制真核生物染色体真核生物染色体DNADNA复制复制真核生物染色体有多个复制起点，多复制眼，呈双向复制，多真核生物染色体有多个复制起点，多复制眼，呈双向复制，多复制子；复制子；真核生物的每一个染色体真核生物的每一个染色体

57、皆含有许多个复制子。复皆含有许多个复制子。复制叉前进的速度大约只有制叉前进的速度大约只有大肠杆菌的大肠杆菌的1/201/20。可能原。可能原因是真核生物的因是真核生物的DNADNA与组与组蛋白构成核小体，对复制蛋白构成核小体，对复制叉的前进造成阻碍。人类叉的前进造成阻碍。人类的复制叉每秒约前进的复制叉每秒约前进100bp100bp；复制整个基因体；复制整个基因体需需8h8h。果蝇的复制整个基。果蝇的复制整个基因组仅需因组仅需3-4min3-4min。复制原点的特征：复制原点的特征：啤酒酵母的啤酒酵母的ARSARS分布在分布在100100200bp200bp的的DNADNA序列中，序列中，ARS

58、ARS包括一个包括一个共有序列共有序列(A)(A)和附加元件和附加元件(B1-B3)(B1-B3)。A A元件在芽殖酵母中高度保元件在芽殖酵母中高度保守，是复制起始所必需的，富含守，是复制起始所必需的，富含ATAT、11bp11bp序列，是序列，是复制起始识复制起始识别复合物别复合物（origin recognition complex, ORCorigin recognition complex, ORC）结合）结合复制起复制起始位点始位点所必需的，对起始因子在复制起始位点的组装起基本作所必需的，对起始因子在复制起始位点的组装起基本作用。用。 ORC真核生物真核生物DNADNA聚合酶聚合酶真

59、核生物也有多种真核生物也有多种DNA polDNA pol，通常细胞中有，通常细胞中有1515种以上。在哺乳动物细胞中主种以上。在哺乳动物细胞中主要有要有5 5种种DNADNA聚合酶，分别为聚合酶，分别为DNADNA聚合酶聚合酶、。真核生物中的真核生物中的DNADNA聚合酶聚合反应机制与原核生物的相似。聚合酶聚合反应机制与原核生物的相似。端粒：真核染色体两臂末端由特定的端粒：真核染色体两臂末端由特定的DNADNA重复序列构成的结构。重复序列构成的结构。使正常染色体端部间不发生融合，保证每条染色体的完整性。使正常染色体端部间不发生融合，保证每条染色体的完整性。 端粒的功能：端粒的功能： 维持染色

60、体的完整性，决定细胞的寿命。若无端粒，两维持染色体的完整性，决定细胞的寿命。若无端粒，两 个染色体末端很可能融合一起。个染色体末端很可能融合一起。 解决末端复制问题。端粒酶能与端粒作用，延伸其长度。解决末端复制问题。端粒酶能与端粒作用，延伸其长度。产生端粒问题的原产生端粒问题的原因是因是DAN复制需要复制需要RNA引物，而引物，而RNA引物最终被降解，引物最终被降解，可能导致线状可能导致线状DNA端部不断变短，信端部不断变短，信息丢失。息丢失。端聚酶端聚酶也称为端粒酶或端粒末端转移酶，由蛋白质和也称为端粒酶或端粒末端转移酶，由蛋白质和RNA两种成分组成，其中蛋白质具有逆转录酶的活性，两种成分组成，其中