第十章染色体结构与DNA复制

1、1 1、本章简介、本章简介2 2、掌握内容讲述、掌握内容讲述3 3、要点回顾、要点回顾4 4、本章习题、本章习题本章介绍了原核本章介绍了原核/ /真核真核生物染色体的结构、生物染色体的结构、生物体内生物体内DNADNA的复制过的复制过程、程、DNADNA的突变、损伤的突变、损伤与修复、重组。与修复、重组。重点重点掌握掌握DNADNA复制的过程与复制的过程与机制机制。 10.1 10.1 原核生物染色体结构原核生物染色体结构 10.2 10.2 染色质结构染色质结构 10.3 10.3 真核生物染色体结构真核生物染色体结构 10.4 DNA10.4 DNA复制复制一、半保留半不连续复制机制一、半

2、保留半不连续复制机制二、二、DNADNA聚合酶聚合酶三、三、DNADNA突变、损伤与修复突变、损伤与修复四、重组四、重组 所有细菌的主要基因都位于单一的所有细菌的主要基因都位于单一的环状双链染色体环状双链染色体DNADNA上，染色体上，染色体DNADNA编编码着码着1000100050005000个蛋白质个蛋白质 大肠杆菌染色体结构大肠杆菌染色体结构 染色体环中蛋白质与染色体环中蛋白质与DNADNA结合，对结合，对DNADNA起着保护、固定和压缩的作用起着保护、固定和压缩的作用细菌还可能含有质粒细菌还可能含有质粒组蛋白与DNA的结合真核生物染真核生物染色体色体DNA组组装的不同层装的不同层次的

3、结构次的结构DNA核小体链核小体链纤丝纤丝突环突环玫瑰花结玫瑰花结螺旋圈螺旋圈染色体染色体遗传信息传递的中心法则遗传信息传递的中心法则蛋白质蛋白质翻译翻译转录转录逆转逆转录录复制复制复制复制DNARNA遗传信息流遗传信息流即由即由DNADNA复复制制把亲代的遗传信息忠实把亲代的遗传信息忠实地传递给子代。在子代这地传递给子代。在子代这些遗传信息通过些遗传信息通过转录转录传递传递给给RNARNA，再由，再由RNARNA通过通过翻译翻译转变成相应的蛋白质。转变成相应的蛋白质。基基因表达因表达是指是指DNADNA经过经过转录转录产生产生RNARNA，RNARNA经过经过翻译翻译产产生蛋白质。生蛋白质。

4、1 1、DNADNA的半保留复制的半保留复制2 2、DNADNA复制的起点与方向复制的起点与方向3 3、DNADNA的半不连续复制的半不连续复制4 4、DNADNA复制的分子基础复制的分子基础5 5、DNADNA复制的过程复制的过程6 6、DNADNA复制的忠实性复制的忠实性7 7、真核生物复制（端粒酶）、真核生物复制（端粒酶）DNA的的复复制制DNADNA的半保留复制的半保留复制DNA在复制时，两条链解在复制时，两条链解开分别作为模板，在开分别作为模板，在DNA聚合酶聚合酶的催化下的催化下按碱基互按碱基互补的原则补的原则合成两条与模板合成两条与模板链互补的新链，以组成新链互补的新链，以组成新

5、的的DNA分子。分子。由于子代由于子代DNA分子中一条链来自亲分子中一条链来自亲代，另一条链是新合成的，代，另一条链是新合成的，这种复制方式称为半保留这种复制方式称为半保留复制。复制。DNA复制的起始、方向复制的起始、方向（5 3)环状环状 DNA复制时复制时所形成的所形成的结构结构起始点起始点复制叉的推进复制叉的推进复制叉复制叉起始点起始点起始点起始点起始点起始点复制叉复制叉复制叉复制叉未复制未复制DNADNA单向复制单向复制双向复制双向复制 真核细胞真核细胞DNADNA多个起点复制多个起点复制（5 3 )起起点点起起点点起起点点起起点点起起点点起起点点复制起始点、复制子与复制叉（动画演示）

6、复制起始点、复制子与复制叉（动画演示）以以35方向的亲代方向的亲代DNA链作模板的子代链在复制时基链作模板的子代链在复制时基本上是连续进行的，其子代链的聚合方向为本上是连续进行的，其子代链的聚合方向为5 3，这，这一条链被称为一条链被称为前导链前导链(leading strand)。以以53方向的亲代方向的亲代DNA链为模板的子代链在复制时则链为模板的子代链在复制时则是不连续的，其链的聚合方向也是是不连续的，其链的聚合方向也是5 3 ，这条链被称，这条链被称为为后随后随/滞后链滞后链(lagging strand)。前导链连续复制而后随链不连续复制，就是复制的前导链连续复制而后随链不连续复制，

7、就是复制的半不半不连续性连续性。 DNADNA的半不连续复制的半不连续复制两条子链的合成方向都是两条子链的合成方向都是5353由于亲代由于亲代DNA双链在复制时是逐步解开的，因双链在复制时是逐步解开的，因此，后随链的合成也是一段一段的。此，后随链的合成也是一段一段的。DNA在复在复制时，由后随链所形成的一些子代制时，由后随链所形成的一些子代DNA短片段短片段称为称为冈崎片段冈崎片段(Okazaki fragment)。冈崎片段的大小，在原核生物中约为冈崎片段的大小，在原核生物中约为10002000个核苷酸，而在真核生物中约为个核苷酸，而在真核生物中约为100个核个核苷酸。苷酸。 DNADNA的

8、半不连续复制的半不连续复制3 5 3 5 3 5 3 5 解链方向解链方向前导链前导链(leading strand)后随后随/滞后链滞后链(lagging strand)DNADNA的半不连续复制的半不连续复制3 5 冈崎片段冈崎片段(okazaki fragment)DNADNA复制的分子基础复制的分子基础 1.底物底物 dNTP(dATP,dGTP,dCTP,dTTP) 2.有关的酶有关的酶 拓扑异构酶、解链酶、引物酶、聚合酶拓扑异构酶、解链酶、引物酶、聚合酶（DNA聚合酶聚合酶I 、II、III）、）、DNA连接酶连接酶 3.模板模板 单链的单链的DNA母链母链 4.引物引物 寡核苷酸

9、引物（寡核苷酸引物（RNA) 5.其他蛋白质因子其他蛋白质因子 单链结合蛋白（单链结合蛋白（SSB维持模板维持模板处于单链状态，保护单链的完整）处于单链状态，保护单链的完整）(dNMP)n + dNTP (dNMP)n+1 +PPiDNADNA拓扑异构酶拓扑异构酶( (解旋酶）解旋酶）v既能水解，又能打断碱基互补配对的氢键既能水解，又能打断碱基互补配对的氢键v在引发体前引入负超螺旋在引发体前引入负超螺旋, ,以抵消复制过程以抵消复制过程产生的正螺旋产生的正螺旋打开超螺旋打开超螺旋DNADNA解链酶解链酶v解开双螺旋解开双螺旋引物酶引物酶v是是RNARNA聚合酶聚合酶，合成一段，合成一段RNAR

10、NA引物引物v解链酶、引物酶形成移动的引发体解链酶、引物酶形成移动的引发体大肠杆菌三种大肠杆菌三种DNA聚合酶比较聚合酶比较DNA聚合酶聚合酶分子量分子量每个细胞的分子统计数每个细胞的分子统计数5 -3 聚合酶作用聚合酶作用3 -5 核酸外切酶作用核酸外切酶作用5 -3 核酸外切酶作用核酸外切酶作用转化率转化率DNA聚合酶聚合酶DNA聚合酶聚合酶（复合物）（复合物）109，000400+1120，000100+-0 .05400，00010-20+-50比较项目比较项目 原核生物中的三种原核生物中的三种DNADNA聚合酶聚合酶 DNA聚合酶的活性聚合酶的活性 5至至3的聚合活性的聚合活性5 3

11、方向方向链的延伸链的延伸 核酸外切酶活性核酸外切酶活性 5 3外切酶活性外切酶活性切除引物切除引物 3 5外切酶活性外切酶活性校对功能校对功能参与参与DNA复制的复制的DNA聚合酶，必须以一段聚合酶，必须以一段具有具有3端自由羟基（端自由羟基（3-OH）的）的RNA作为作为引引物物(primer) ，才能开始聚合子代，才能开始聚合子代DNA链。链。RNA引物的大小，在原核生物中通常为引物的大小，在原核生物中通常为50 100个核苷酸，而在真核生物中约为个核苷酸，而在真核生物中约为10个核个核苷酸。苷酸。RNA引物的碱基顺序，与其模板引物的碱基顺序，与其模板DNA的碱基顺序相配对。的碱基顺序相配

12、对。 需要引物需要引物 5至至 3的聚合活性（的聚合活性（ 5 3 ）pp pp pppPPPOHOHOH55PPiN1N2N3N1N2N3533 DNA-polDNA-pol的核酸外切酶活性和及时校读的核酸外切酶活性和及时校读A：DNA-pol的外切酶活性的外切酶活性3 5切除错配碱基；并用切除错配碱基；并用其聚合酶活性其聚合酶活性5 3掺入正确配对的底物掺入正确配对的底物B：碱基配对正确，：碱基配对正确， DNA-pol不表现外切酶活性。不表现外切酶活性。3 5外切酶活性外切酶活性校对功能校对功能DNA聚合酶的校对功能聚合酶的校对功能聚合酶聚合酶错配碱基错配碱基复制方向复制方向正确核正确核

13、苷酸苷酸5 5 5 5 5 5 3 3 3 3 3 3 切除错配切除错配核苷酸核苷酸连连接接酶酶连连接接缺缺口口Mg2+连接酶连接酶ATPATP或或NADNADPPiPPi或或NMNNMNATCGPTTPPPAACCTGAPACPPPPOHTGGATCGPTTPPPAACCTGAPACPPPTGGP缺口缺口33555533模板链模板链模板链模板链DNADNA的复制过程的复制过程 （一）（一） 复制的起始复制的起始 （二）（二） 复制的延伸复制的延伸 （三）（三） 复制的终止复制的终止 起始的过程起始的过程打开打开DNA超螺链超螺链打开双螺旋打开双螺旋防止复螺旋防止复螺旋单链结合蛋白单链结合蛋白

14、解链酶解链酶引发体引发体/引引物复合体物复合体引物酶引物酶拓扑异构酶拓扑异构酶合成合成DNA复制起始过程复制起始过程拓扑异构酶拓扑异构酶解链酶解链酶单链结合蛋白单链结合蛋白DNA聚合酶聚合酶引物酶及引发体引物酶及引发体DNA连接酶连接酶引物引物DNA双链双链 5 3 5 3拓扑异构酶拓扑异构酶解链酶解链酶单链结合蛋白单链结合蛋白DNA聚合酶聚合酶引物酶及引发体引物酶及引发体DNA连接酶连接酶引物引物DNA复制起始的过程复制起始的过程拓扑异构酶拓扑异构酶与与DNA双链双链结合，松弛结合，松弛超螺旋。超螺旋。 5 3 5 3拓扑异构酶拓扑异构酶解链酶解链酶单链结合蛋白单链结合蛋白DNA聚合酶聚合酶

15、引物酶及引发体引物酶及引发体DNA连接酶连接酶引物引物DNA复制起始过程复制起始过程解链酶解开解链酶解开DNA双螺旋双螺旋 5 3 5 3拓扑异构酶拓扑异构酶解链酶解链酶单链结合蛋白单链结合蛋白DNA聚合酶聚合酶引物酶及引发体引物酶及引发体DNA连接酶连接酶引物引物单链结合蛋白单链结合蛋白防止复螺旋防止复螺旋 5 3 5 3DNA复制起始的过程复制起始的过程拓扑异构酶拓扑异构酶解链酶解链酶单链结合蛋白单链结合蛋白DNA聚合酶聚合酶引物酶及引发体引物酶及引发体DNA连接酶连接酶引物引物(RNA)DNA复制起始过程复制起始过程引物酶合成引物引物酶合成引物 5 3 5 3(二二)DNA复制的延伸复制

16、的延伸DNA聚合酶聚合酶1. DNA聚合酶聚合酶把新生链的第一个脱氧核苷酸把新生链的第一个脱氧核苷酸加到加到引物的引物的3OH上，开始新生链的合成过程上，开始新生链的合成过程AG T AC T A A T DNA DNA 聚合酶聚合酶ACGACGTT引物引物AG T AC T A A T AGCGACGGTTT T 组成组成 DNA 的脱氧核糖核苷酸一个个连接起来的脱氧核糖核苷酸一个个连接起来3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键引物引物AG T AC T A A T GCGACGGTTTTA引物引物AG T AC T A A T GCGACGTTGTTA引物引物AG T AC T A A T GCGA

17、CGTGTTAA引物引物AG T AC T A A T GCGACGGTTAA T引物引物AG T AC T A A T GCGACGGTTAA TA引物引物AG T AC T A A T GCGCGGTTAA TA T引物引物AG T AC T A A T GGCGGTTAA TA T C引物引物AG T AC T A A T GGCGGTTAA TA T CDNADNA模板链模板链DNA新链新链引物引物2.半不连续复制半不连续复制与冈崎片段与冈崎片段前导链前导链滞后链滞后链冈崎片段冈崎片段 5 3 5 32.半不连续复制半不连续复制与冈崎片段与冈崎片段前导链、前导链、后随链后随链/滞滞后链

18、、后链、半半不连续复不连续复制、制、冈崎片段冈崎片段。335533553355DNA连接酶3355DNA聚合酶聚合酶DNA聚合酶聚合酶5335DNA连接酶( (三三) )复制的终止复制的终止 遇到遇到终止子终止子停止复停止复制制 DNA聚合酶聚合酶利利用用 5 3外切酶外切酶活性活性水解引物水解引物 DNA聚合酶聚合酶聚聚合活性合活性填补缺口填补缺口 DNA连接酶连接酶连接连接缺口。缺口。33333333555555555原核细胞原核细胞DNADNA的的半不连续、半保半不连续、半保留复制过程留复制过程复制叉的复制叉的移动方向移动方向拓扑异拓扑异构酶构酶DNA聚合聚合酶酶III解链酶解链酶RNA

19、引物引物引物体引物体DNA聚聚合酶合酶ISSB3 3 5 前导前导链链滞后滞后链链3 5 复制的起始、复制的起始、方向方向DNADNA链的合链的合成与延长成与延长DNADNA链合链合成的终止成的终止5 RNA引物引物3 3 DNA连连接酶接酶DNA聚聚合酶合酶复制的忠实性复制的忠实性 DNA复制过程是一个高度精确的过程，复制过程是一个高度精确的过程，据估计，大肠杆菌据估计，大肠杆菌DNA复制复制109-1010碱基对仅碱基对仅出现一个误差，保证复制忠实性的原因主要出现一个误差，保证复制忠实性的原因主要有以下四点有以下四点:a、DNA聚合酶的高度专一性（严格遵循聚合酶的高度专一性（严格遵循 碱基

20、配对原则）碱基配对原则）b、DNA聚合酶的校对功能（错配碱基被聚合酶的校对功能（错配碱基被3-5 外切酶切除）外切酶切除）c、起始时以、起始时以RNA作为引物作为引物d、DNA的损伤修复系统的损伤修复系统端粒酶（端粒酶（telomerase） DNA复制需要引物，但在线形复制需要引物，但在线形DNA分子末端不可能通过分子末端不可能通过正常的机制在引物被降解后合成相应的片段正常的机制在引物被降解后合成相应的片段.如果没有特殊如果没有特殊的机制合成末端序列，染色体就会在细胞传代中变得越来越的机制合成末端序列，染色体就会在细胞传代中变得越来越短。这一难题是通过端粒酶的发现才得到了澄清，端粒酶是短。这

21、一难题是通过端粒酶的发现才得到了澄清，端粒酶是一种含一种含RNA的蛋白复合物，实质上是一种的蛋白复合物，实质上是一种逆转录酶逆转录酶，它能，它能催化互补于催化互补于RNA模板的模板的DNA片段的合成，使复制以后的线片段的合成，使复制以后的线形形DNA分子的末端保持不变。分子的末端保持不变。 初步研究表明，人体中生殖细胞的端初步研究表明，人体中生殖细胞的端粒长度保持不变，而体细胞的端粒长度粒长度保持不变，而体细胞的端粒长度则随个体的老化而逐步缩短。对此的一则随个体的老化而逐步缩短。对此的一个推论是：人的生殖细胞具端粒酶的活个推论是：人的生殖细胞具端粒酶的活力，体细胞则否。这一问题的解决无疑力，体

22、细胞则否。这一问题的解决无疑会有助于对生命衰老的认识会有助于对生命衰老的认识。5 3 AAAACCCCAAAACCCCCCA端粒酶端粒酶l线性线性DNADNA在复制完成后，其末端由于引物在复制完成后，其末端由于引物RNARNA的水解而可能出现缩短进行延长反应。的水解而可能出现缩短进行延长反应。 l端粒酶是一种端粒酶是一种RNA-RNA-蛋白质复合体，它可蛋白质复合体，它可以其以其RNARNA为模板，通过为模板，通过逆转录逆转录过程对末端过程对末端DNADNA链进行延长。链进行延长。 DNADNA的突变、损伤与修复的突变、损伤与修复 （一）（一） DNA的突变的突变 （二）（二） DNA的损伤的

23、损伤与修复与修复 DNADNA碱基在物理或化学因素影响下发生碱基在物理或化学因素影响下发生结构变化，绝大部分可被结构变化，绝大部分可被DNADNA修复纠正，修复纠正，如果没有被纠正而变成可遗传的永久的如果没有被纠正而变成可遗传的永久的改变改变基因突变基因突变 最简单的突变是最简单的突变是点突变点突变（单独一个碱基（单独一个碱基的突变），可分为的突变），可分为转换转换和和颠换颠换 点突变如果发生在点突变如果发生在DNADNA的非编码区或密的非编码区或密码子的第码子的第3 3个碱基，一般不会改变其编码个碱基，一般不会改变其编码的蛋白质的蛋白质沉默突变沉默突变点突变改变了点突变改变了PrPr的的AA

24、AA错义突变错义突变，对，对PrPr功能功能的影响可小可大甚至致死，这取决于的影响可小可大甚至致死，这取决于PrPr的重要性的重要性点突变如使一个密码子变成了终止子，结果基点突变如使一个密码子变成了终止子，结果基因产物是变短的因产物是变短的PrPr无义突变无义突变插入或缺失一个或多个碱基引起插入或缺失一个或多个碱基引起移码突变移码突变，所，所翻译的翻译的PrPr从突变点到从突变点到C C末端序列发生改变末端序列发生改变与调节、生长、分裂、死亡相关基因的突变可与调节、生长、分裂、死亡相关基因的突变可能诱发能诱发癌症癌症；沉默突变、非致死突变的积累产生；沉默突变、非致死突变的积累产生遗传多态性，即

25、遗传多态性，即“正常正常”DNA-PrDNA-Pr序列序列可接受的突可接受的突变变DNADNA突变的类型突变的类型 -T-C-G-G-C-T-G-T-A-C-G- -A-G-C-C-G-A-C-A-T-G-C-转换转换 -T-C-G-A-G-C-T-G-T-A-C-G- -A-G-C-T-C-G-A-C-A-T-G-C-插入插入A -T-C-G-C-T-G-T-A-C-G- -A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-缺失缺失T野生型基因野生型基因 -T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G- -A-G-C-T-G-A-C-A-T-G-C- -T-C-G-T-C-T-G-T-A-C-G- -A

26、-G-C-A-G-A-C-A-T-G-C-颠换颠换碱基对的置换碱基对的置换(substitution)移码突变移码突变(framesshift mutation)DNADNA的损伤与修复的损伤与修复 某些物理化学因子，如紫外线、电离辐射和化学诱变某些物理化学因子，如紫外线、电离辐射和化学诱变剂等，都有引起生物突变和致死的作用，其机理是作用于剂等，都有引起生物突变和致死的作用，其机理是作用于DNA，造成，造成DNA结构和功能的破坏，称为结构和功能的破坏，称为DNA的损伤的损伤. DNA的修复主要有以下类型的修复主要有以下类型:暗修复暗修复（4）诱导修复（诱导修复（SOS修复）修复）（1）DNA光

27、解酶修复光解酶修复（2）切除修复切除修复（3）错配修复错配修复 光修复光修复 紫外光照射可使相邻的两个紫外光照射可使相邻的两个T 形成二聚体形成二聚体 光复活酶光复活酶可使二聚体解聚为单体状态，可使二聚体解聚为单体状态，DNA完全恢完全恢复正常。光修复酶的激活需复正常。光修复酶的激活需300-600m波长的光。波长的光。NNCH3OORHPHROOCH3NNNNCH3OORHHNNCH3OORPUVTT光修复酶1、形成嘧啶二聚体、形成嘧啶二聚体2、光解酶结合于损伤、光解酶结合于损伤部位部位3、酶被可见光激活、酶被可见光激活4、修复后酶被释放、修复后酶被释放DNA紫外线损伤的光解酶修复紫外线损伤

28、的光解酶修复 （高等哺乳动物没有）（高等哺乳动物没有）DNA的损伤和切除修复的损伤和切除修复碱基丢失碱基丢失碱基缺陷或错配碱基缺陷或错配结构缺陷结构缺陷切开切开 核酸内切酶核酸内切酶核酸外切酶核酸外切酶切除切除DNA聚合酶聚合酶DNA连接连接酶酶AP位点位点核酸内切酶核酸内切酶核酸外切酶核酸外切酶切开切开切除切除修复修复连接连接糖基化酶糖基化酶插入酶插入酶碱基碱基取代取代识别错误碱基并识别错误碱基并切断糖苷键切断糖苷键DNADNA重组重组 （一）（一） 重组重组 （二）（二） 特异位点重组特异位点重组（三）（三） 转座转座（二）（二） 反转录病毒反转录病毒DNA DNA 重重 组组重组重组: : 两条双链两条双链DNADNA分子之间发生部分区分子之