第14章DNA的生物合成

1、目目 录录第十四章第十四章DNA的生物合成的生物合成DNA Biosynthesis ( Replication )目目 录录前前 言言19581958年年Francis Crick Francis Crick 提出提出遗传信息传递的中心法则遗传信息传递的中心法则19701970年年D BaltimoreD Baltimore对遗传信息传递的中心法则作出补充对遗传信息传递的中心法则作出补充复制转录翻译逆转录蛋白质RNADNA复制RNA蛋白质翻译目目 录录复制复制(replication) 是以是以DNA为模板的为模板的DNA合成，是基因组的复制过程。在这个过程中，合成，是基因组的复制过程。在这

2、个过程中，亲代亲代DNA作为合成模板，按照碱基配对原则作为合成模板，按照碱基配对原则合成子代分子，其化学本质是酶促脱氧核苷酸合成子代分子，其化学本质是酶促脱氧核苷酸聚合反应。聚合反应。 复制复制亲代亲代DNA子代子代DNA目目 录录n本章主要内容：本章主要内容： DNA DNA复制的基本特征复制的基本特征 DNA复制的酶学和拓扑学变化复制的酶学和拓扑学变化 原核生物原核生物DNADNA复制过程复制过程真核生物真核生物DNADNA生物合成过程生物合成过程 逆转录和其他复制方式逆转录和其他复制方式 目目 录录DNA复制的基本特征复制的基本特征Basic Rules of DNA Replicati

3、on第第 一一 节节目目 录录半保留复制半保留复制(semi-conservative replication)双向复制双向复制(bidirectional replication)半不连续复制半不连续复制(semi-discontinuous replication) nDNA复制的主要特征复制的主要特征 目目 录录一、半保留复制的实验依据和意义一、半保留复制的实验依据和意义 DNA生物合成时，母链生物合成时，母链DNA解开为两解开为两股单链，各自作为模板股单链，各自作为模板(template)按碱基配对按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。子代细胞的规律，合成与模板互补的子链。子代细胞的D

4、NA，一股单链从亲代完整地接受过来，另，一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链则完全从新合成。两个子细胞的一股单链则完全从新合成。两个子细胞的DNA都和亲代都和亲代DNA碱基序列一致。这种复制碱基序列一致。这种复制方式称为方式称为半保留复制半保留复制。半保留复制的概念半保留复制的概念目目 录录n子链继承母链遗传信息的几种可能方式子链继承母链遗传信息的几种可能方式: : 全保留式全保留式 半保留式半保留式 混合式混合式 AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCCAC

5、TGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+母链母链DNA 复制过程中形成复制过程中形成的复制叉的复制叉子代子代DNA 目目 录录目目 录录 1958 1958 Matthew Meselson Matthew Meselson和和Franklin StahlFranklin Stahl美国科学家美国科学家马修马修. .梅塞尔梅塞尔(Matthew (Matthew Keelson)Keelson)福兰克林福兰克林. .斯塔尔斯塔尔(Franklin Stahl)(Franklin Stahl)目目 录录密度梯度实验密度梯度实验 实验结果支

6、持实验结果支持半保留复制半保留复制的设想。的设想。含重氮含重氮-DNA的细菌的细菌培养于普培养于普通培养液通培养液 第一代第一代继续培养于继续培养于普通培养液普通培养液 第二代第二代梯度离心结果梯度离心结果目目 录录按半保留复制方式，子代按半保留复制方式，子代DNA与亲代与亲代DNA A的的碱基序列一致碱基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗，即子代保留了亲代的全部遗传信息，体现了遗传的传信息，体现了遗传的保守性保守性。半保留复制的意义半保留复制的意义遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但但不是绝对的不是绝对的。目目 录录原核原核生物基因组是环状生物基因组

7、是环状DNA，只有一个，只有一个复制起复制起点（点（origin）。复制从起点开始，向两个方向。复制从起点开始，向两个方向进行解链，进行的是单点起始进行解链，进行的是单点起始双向复制双向复制。二、二、DNA复制从起点向两个方向延伸复制从起点向两个方向延伸复制中的放射自显影图象复制中的放射自显影图象目目 录录A. 环状双链环状双链DNA及复制起始点及复制起始点B. 复制中的两个复制叉复制中的两个复制叉C. 复制接近终止点复制接近终止点(termination, ter)oriterA B C目目 录录真核生物每个染色体有多个起始点，是多复真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子的复制。习惯上把

8、两个相邻起始点之间制子的复制。习惯上把两个相邻起始点之间的距离定为一个的距离定为一个复制子复制子(replicon) 。复制子是。复制子是独立完成复制的功能单位。独立完成复制的功能单位。 53oriorioriori53目目 录录53oriorioriori535533553复制复制3目目 录录目目 录录三、复制的半不连续性三、复制的半不连续性3 5 3 5 解链方向解链方向3 5 3 3 5 领头链领头链(leading strand)随从链随从链(lagging strand)目目 录录顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为，这股链称为

9、领头链领头链。另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称为称为随从链随从链。复制中的不连续片段称为。复制中的不连续片段称为岡崎片段岡崎片段(okazaki fragment)。 领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制的制的半不连续性半不连续性。 目目 录录 DNA复制的酶学和拓扑学变化复制的酶学和拓扑学变化The Enzymology of DNA Replication第二节第二节目目 录录参与参与DNA复制的物质复制的物质

10、底物底物(substrate): dATP, dGTP, dCTP, dTTP聚合酶聚合酶(polymerase): 依赖依赖DNA的的DNA聚合酶，简写聚合酶，简写 为为 DNA-pol模板模板(template) : 解开成单链的解开成单链的DNA母链母链引物引物(primer): 提供提供3 -OH末端使末端使dNTP可以依次聚合可以依次聚合 其他的酶和蛋白质因子其他的酶和蛋白质因子一、复制的化学反应一、复制的化学反应 (dNMP)n + dNTP (dNMP)n+1 + PPi 目目 录录目目 录录聚合反应的特点聚合反应的特点DNA 新链生成需新链生成需引物引物和和模板模板； 新链的延

11、长只可沿新链的延长只可沿5 3 方向进行方向进行 。目目 录录二、二、DNA聚合酶聚合酶全称：全称：依赖依赖DNA的的DNA聚合酶聚合酶 (DNA-dependent DNA polymerase)简称：简称：DNA-pol活性：活性：1. 53 的聚合活性的聚合活性2. 核酸外切酶活性核酸外切酶活性5 A G C T T C A G G A T A 3 | | | | | | | | | | |3 T C G A A G T C C T A G C G A C 5 3 5 外切酶活性外切酶活性 5 3 外切酶活性外切酶活性?能切除突变的能切除突变的 DNA片段。片段。能辨认错配的碱基对，并将

12、其水解。能辨认错配的碱基对，并将其水解。 核酸外切酶活性核酸外切酶活性 目目 录录目目 录录（一）原核生物的（一）原核生物的DNA聚合酶聚合酶DNA-pol DNA-pol DNA-pol 目目 录录（一）原核生物的（一）原核生物的DNA聚合酶聚合酶可能可能不可能不可能可能可能基因突变后的致死性基因突变后的致死性无无无无有有5 3 核酸外切酶活性核酸外切酶活性20？400分子数分子数/细胞细胞多亚基不对称多亚基不对称二聚体二聚体？单肽链单肽链组成组成250120109分子量分子量(kD)DNA-pol IIIDNA-pol IIDNA-pol I可能可能不可能不可能可能可能基因突变后的致死性基

13、因突变后的致死性无无无无有有5 3 核酸外切酶活性核酸外切酶活性20？400分子数分子数/细胞细胞多亚基不对称多亚基不对称二聚体二聚体？单肽链单肽链组成组成250120109分子量分子量(kD)DNA-pol IIIDNA-pol IIDNA-pol I目目 录录功能功能：对复制中的错误进行校读，对复制和对复制中的错误进行校读，对复制和修复中出现的空隙进行填补。修复中出现的空隙进行填补。 ( (损伤修复，填补空隙）损伤修复，填补空隙）DNA-pol （109kD）目目 录录323个氨基酸个氨基酸小片段小片段5 核酸外切酶活性核酸外切酶活性大片段大片段/Klenow 片段片段 604个氨基酸个氨

14、基酸DNA聚合酶活性聚合酶活性 3 5 核酸外切酶活性核酸外切酶活性N 端端C 端端木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶DNA-pol Klenow片段是实验室合成片段是实验室合成DNA，进，进行分子生物学研究中常用的工具酶。行分子生物学研究中常用的工具酶。 目目 录录 DNA-pol （120kD）DNA-pol II基因发生突变，细菌依然能存活。基因发生突变，细菌依然能存活。DNA-pol 对模板的特异性不高，即使在已发生对模板的特异性不高，即使在已发生损伤的损伤的DNA模板上，它也能催化核苷酸聚合。因模板上，它也能催化核苷酸聚合。因此认为，它参与此认为，它参与DNA损伤的应急状态修复。损伤的应急状态修复

15、。目目 录录功能功能是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。 DNA-pol (250kD)目目 录录个核心酶个核心酶1个个 -复合物（复合物（ 、 、 、 、 、 6种亚种亚基）基）1对对 -亚基（可滑亚基（可滑动的动的DNA夹子）夹子）DNA聚合酶聚合酶全酶结构全酶结构全酶结构包括：全酶结构包括：目目 录录 亚基亚基（132 000）主要功能是）主要功能是5 方向方向合成合成DNA 亚基亚基具有具有35 外切酶活性（复制保真性外切酶活性（复制保真性所必需）所必需） 亚基可增强其活性亚基可增强其活性 亚基亚基可能起组装作用可能起组装作用核心酶由核心酶由

16、 、 和和 亚基组成：亚基组成：两侧的两侧的 亚基发挥夹稳亚基发挥夹稳DNADNA模板链，并使酶沿模模板链，并使酶沿模板滑动的作用板滑动的作用目目 录录2个个 -亚基亚基分别和分别和1个核心酶相互作用，其个核心酶相互作用，其柔性连接区可以确保在复制叉柔性连接区可以确保在复制叉1个全酶分子的个全酶分子的2个核心酶能够相对独立运动，分别负责合成个核心酶能够相对独立运动，分别负责合成前导链和后随链。前导链和后随链。功能：功能：有促进全酶组装至模板上及增强核心酶有促进全酶组装至模板上及增强核心酶活性的作用活性的作用 -复合物由复合物由6种亚基组成：种亚基组成： 、 、 、 、 、 目目 录录亚基具有亚

17、基具有53方向合成方向合成DNA的催化活性的催化活性亚基具有亚基具有35外切酶活性，起校对功能，外切酶活性，起校对功能， 可提高聚合酶可提高聚合酶复制复制DNA的保真性的保真性 亚基可能亚基可能起组建的作用起组建的作用亚基犹如夹子，亚基犹如夹子，功能是识别引物、夹住功能是识别引物、夹住DNA 分子向前滑动分子向前滑动 亚基亚基起着促使核心酶二聚化的作用起着促使核心酶二聚化的作用其余的亚基构成其余的亚基构成 -复合物，复合物，主要功能是帮助主要功能是帮助 亚基夹住亚基夹住DNA（也称夹子装置器），并有（也称夹子装置器），并有 增强核心酶活性的作用增强核心酶活性的作用目目 录录目目 录录目目 录录

18、（二）真核生物的（二）真核生物的DNADNA聚合酶聚合酶DNA-pol 起始引发，有引物酶活性。起始引发，有引物酶活性。延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。参与低保真度的复制参与低保真度的复制 , ,参与核参与核DNADNA的修复的修复. .在复制过程中起校读、修复和填补缺在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。口的作用。在在线粒体线粒体DNA复制中起催化作用。复制中起催化作用。DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol 目目 录录真核生物和原核生物真核生物和原核生物DNA聚合酶的比较聚合酶的比较 目目 录录三、复制保真性的酶学依据三、复制

19、保真性的酶学依据复制按照碱基配对规律进行，是遗传信息能复制按照碱基配对规律进行，是遗传信息能准确传代的基本原理。准确传代的基本原理。复制保真性的酶学机制：复制保真性的酶学机制：（一）（一）DNA-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 （二）复制的保真性和碱基选择（二）复制的保真性和碱基选择目目 录录（一）（一）DNA-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的外切酶活性切除错配碱基；并用的外切酶活性切除错配碱基；并用其聚合活性掺入正确配对的底物。其聚合活性掺入正确配对的底物。B：碱基配对正确，：碱基配对正确， DNA-pol不表现活性。

20、不表现活性。目目 录录（二）复制的保真性和（二）复制的保真性和碱基选择碱基选择 DNA聚合酶靠其大分子结构协调非共价（氢键）聚合酶靠其大分子结构协调非共价（氢键）与共价（磷酸二酯键）键的有序形成。与共价（磷酸二酯键）键的有序形成。 利用利用“错配错配”实验发现，实验发现，DNA pol DNA pol 对核苷酸的对核苷酸的参入（参入（incorporationincorporation）具有选择功能。）具有选择功能。 目目 录录嘌呤的化学结构能形成顺式和反式构型，与相应嘌呤的化学结构能形成顺式和反式构型，与相应的嘧啶形成氢键配对，嘌呤应处于的嘧啶形成氢键配对，嘌呤应处于反式构型反式构型 DNA

21、 pol DNA pol 对嘌呤的不同构型表现不同亲和力，对嘌呤的不同构型表现不同亲和力， 因此实现其选择功能。因此实现其选择功能。 目目 录录1. 遵守严格的碱基配对规律；遵守严格的碱基配对规律；2. 聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能；聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能；3. 复制出错时复制出错时DNA-pol的及时校读功能。的及时校读功能。DNA复制的保真性至少要依赖三种机制复制的保真性至少要依赖三种机制 目目 录录三、复制中的分子解链及三、复制中的分子解链及DNA 分子分子拓扑学变化拓扑学变化 DNA分子的碱基埋在双螺旋内部，只有把分子的碱基埋在双螺旋内部，只有把DNA解成单链，它才能

22、起模板作用。解成单链，它才能起模板作用。目目 录录（一）解螺旋酶、引物酶和单链（一）解螺旋酶、引物酶和单链DNA结合蛋白结合蛋白理理顺顺DNA链链拓拓扑扑异异构构酶酶 (gyrA, B)稳稳定定已已解解开开的的单单链链单单链链DNA结结合合蛋蛋白白SSB催催化化RNA引引物物生生成成引引物物酶酶DnaG (dnaG)运运送送和和协协同同DnaBDnaC (dnaC)解解开开DNA双双链链解解螺螺旋旋酶酶DnaB (dnaB)辨辨认认起起始始点点DnaA (dnaA)蛋蛋白白质质（基基因因）通通用用名名功功能能原原核核生生物物复复制制起起始始的的相相关关蛋蛋白白质质E. Coli 基因图基因图目

23、目 录录目目 录录解螺旋酶解螺旋酶(helicase)利用利用ATP供能，作用于氢键，使供能，作用于氢键，使DNA双链双链解开成为两条单链解开成为两条单链引物酶引物酶(primase)复制起始时催化生成复制起始时催化生成RNA引物的酶引物的酶单链单链DNA结合蛋白结合蛋白(single stranded DNA binding protein, SSB)在复制中维持模板处于单链状态并保护单在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整链的完整 目目 录录解旋酶解旋酶 (helicase) (helicase)解螺旋酶解螺旋酶作用作用：断裂互补碱基间的氢键，使：断裂互补碱基间的氢键，使DNADNA

24、成单链成单链dnaA、B、CDnaA、B、CATP目目 录录引物酶引物酶( (PrimasePrimase) ) 5 5 5 5 催化催化RNARNA引物引物合成的酶叫合成的酶叫引物酶引物酶，它是一种特，它是一种特殊的殊的RNARNA聚合酶聚合酶 DNADNA合成需在合成需在RNARNA引物引物的基础上进行的基础上进行RNARNA引物引物5 5 3 3 5 5 3 3 目目 录录单链单链DNADNA结合蛋白（结合蛋白（SSBSSB）作用作用：防止单链防止单链DNADNA重重新形成双链，防止单新形成双链，防止单链链DNADNA被核酸酶水解被核酸酶水解（协同效应）（协同效应）目目 录录1010 8

25、 8 局部解链后局部解链后（二）（二）DNA拓扑异构酶拓扑异构酶(DNA topoisomerase) 解链过程中正超螺旋的形成解链过程中正超螺旋的形成目目 录录目目 录录拓扑异构酶作用特点拓扑异构酶作用特点既能水解既能水解 、又能连接磷酸二酯键、又能连接磷酸二酯键 拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶分分 类类目目 录录拓扑异拓扑异构酶构酶切断切断DNA双链中双链中一股一股链，使链，使DNA解链旋转不致打结；适当时候封解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，闭切口，DNA变为松弛状态变为松弛状态。反应反应不需不需ATP。拓扑异拓扑异构酶构酶切断切断DNA分子分子两股两股链，断端通过链，断端通

26、过切口旋转使超螺旋松弛。切口旋转使超螺旋松弛。利用利用ATP供能，连接断端，供能，连接断端， DNA分子进入负超螺旋状态。分子进入负超螺旋状态。作用机制作用机制 目目 录录五、五、DNA连接酶连接酶连接连接DNA链链3 -OH末端和相邻末端和相邻DNA链链5 -P末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的邻的DNA链连接成一条完整的链。链连接成一条完整的链。 DNA连接酶连接酶(DNA ligase)作用方式作用方式POO-O-OHO5POO-O-O335DNA连接酶连接酶ATPADP5353目目 录录目目 录录DNA连接酶在复制中起最后接合缺口连接酶

27、在复制中起最后接合缺口的作用。的作用。在在DNA修复、重组及剪接中也起缝合修复、重组及剪接中也起缝合缺口作用。缺口作用。也是基因工程的重要工具酶之一。也是基因工程的重要工具酶之一。功能功能目目 录录DNA聚合酶，拓扑酶和连接酶催化聚合酶，拓扑酶和连接酶催化3 ,5 -磷酸二酯键生成的比较磷酸二酯键生成的比较目目 录录 小小 结结主要成员主要成员 主要作用主要作用DnaA DnaA 识别复制起始位点识别复制起始位点解螺旋酶解螺旋酶 解开解开DNADNA双链双链SSB SSB 维持已解开单链维持已解开单链DNADNA的稳定的稳定引物酶引物酶 合成合成RNARNA引物引物 TOPO TOPO 使打结

28、、缠绕、正超螺旋的使打结、缠绕、正超螺旋的DNADNA松驰松驰DNA-pol DNADNA-pol DNA复制复制DNA-pol DNA-pol 水解引物、填补空隙、修复作用水解引物、填补空隙、修复作用DNADNA连接酶连接酶 催化双链催化双链DNADNA中单链缺口的连接中单链缺口的连接目目 录录原核生物原核生物DNA复制过程复制过程The Process of DNA Replication in Prokaryotes第第 三三 节节目目 录录1.1.复制的起始复制的起始2.2.复制复制的延长的延长3.3.复制的终止复制的终止目目 录录起始是复制中较为复杂的环节，在此过程起始是复制中较为复

29、杂的环节，在此过程中，各种酶和蛋白因子在复制起始点处装配引中，各种酶和蛋白因子在复制起始点处装配引发体，形成复制叉并合成发体，形成复制叉并合成RNARNA引物。引物。需要解决两个问题：需要解决两个问题：1. DNA解开成单链，提供模板。解开成单链，提供模板。2. 形成引发体，合成引物，提供形成引发体，合成引物，提供3 -OH末端。末端。一、一、复制的起始复制的起始目目 录录E.coli复制起始点复制起始点 oriC GATTNTTTATTT GATCTNTTNTATT GATCTCTTATTAG 1 13 17 29 32 44 1 13 17 29 32 44 TGTGGATTA-TTATA

30、CACA-TTTGGATAA-TTATCCACA58 66 166 174 201 209 237 24558 66 166 174 201 209 237 245 串联重复序列串联重复序列 反向重复序列反向重复序列5 3 5 3 1. DNA解链解链目目 录录E.coliE.coli复制起始点复制起始点oriCoriC跨度为跨度为245bp245bp，有有3 3组组串联重复序列串联重复序列和和2 2对对反向重复序列反向重复序列 目目 录录GATTNTTTATTTGATCTNTTNTATTGATCTCTTATTAG串联串联重复序列重复序列 反向反向重复序列重复序列TTTGGATAA.TTATC

31、CACA TGTGGATTATTATACACA 目目 录录2. 引发体和引物引发体和引物目目 录录原核生物的复制起始部位及解链原核生物的复制起始部位及解链 目目 录录 Dna A Dna B、 Dna CDNA拓扑异构酶拓扑异构酶引物引物酶酶SSB3 5 3 5 含有解螺旋酶、含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。复制起始区域的复合结构称为引发体。 目目 录录3 5 3 5 引物是由引物酶催化合成的短链引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。分子。 引物引物3 HO5引物引物酶酶目目 录录引发体和复制叉的生成引发体和复制叉的生成目目 录录（二

32、）复制的延长（二）复制的延长复制的延长指在复制的延长指在DNA-pol催化下，催化下，dNTP以以dNMP的方式逐个加入引物或延长中的子链上，的方式逐个加入引物或延长中的子链上，其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。 目目 录录 5 5 3 35 5dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH 33 3DNA-pol目目 录录领头链的合成领头链的合成目目 录录随从链的合成随从链的合成目目 录录目目 录录复复制制过过程程简简图图目目 录录 在复制叉同时合成前导链和后随链在复制叉同时合成前导链和后随链目目 录录 原核生物基因是环状原核生物基因是

33、环状DNA，双向复制的复制片段，双向复制的复制片段在复制的终止点在复制的终止点(ter)处汇合。处汇合。oriter E.coli8232 ori terSV40500三、复制的终止三、复制的终止目目 录录目目 录录5 5 5 RNA酶酶OHP5 DNA-pol dNTP5 5 PATP ADP+Pi5 5 DNA连接酶连接酶n 子链中的子链中的RNA引物被取代引物被取代目目 录录 由由DNA聚合酶聚合酶I完成切除引物，完成切除引物，并且填补空隙，由并且填补空隙，由DNA连接酶将连接酶将DNA片段连接起来。片段连接起来。目目 录录真核生物真核生物DNA生物合成生物合成过程过程The Proce

34、ss of DNA Biosynthesis in eukaryotes第第 四四 节节目目 录录1.复制时需要解开和重新组装核小体结构复制时需要解开和重新组装核小体结构;2.多起点复制多起点复制3.RNA引物及冈崎片段的长度均小于原核生物引物及冈崎片段的长度均小于原核生物4.真核生物染色体全部复制完成以前不会发动真核生物染色体全部复制完成以前不会发动新一轮的复制新一轮的复制.真核生物与原核生物真核生物与原核生物DNA复制的差异：复制的差异：目目 录录哺乳动物的哺乳动物的细胞周期细胞周期DNA合成期合成期G1G2SM 细胞能否分裂，决定于进入细胞能否分裂，决定于进入S期及期及M期这两个关期这两

35、个关键点。与蛋白激酶活性有关。键点。与蛋白激酶活性有关。 蛋白激酶通过磷酸化激活或抑制各种复制因子而蛋白激酶通过磷酸化激活或抑制各种复制因子而实施调控作用。实施调控作用。 目目 录录 真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子复制。复制。复制有时序性复制有时序性，即复制子以分组方式激活，即复制子以分组方式激活而不是同步起动。而不是同步起动。 复制的起始需要复制的起始需要DNA-pol（引物酶活性）和（引物酶活性）和pol（解螺旋酶活性）参与。还需拓扑酶和复制因子（解螺旋酶活性）参与。还需拓扑酶和复制因子(replication factor, RF)。

36、 增殖细胞核抗原增殖细胞核抗原(proliferation cell nuclear antigen, PCNA)在复制起始和延长中起关键作用。在复制起始和延长中起关键作用。 （一）复制的起始（一）复制的起始目目 录录DNA-pol 和和pol 分别兼有解螺旋酶和引物酶活分别兼有解螺旋酶和引物酶活性。在复制叉及引物生成后，性。在复制叉及引物生成后，DNA-pol 通过通过PCNA的协同作用，逐步取代的协同作用，逐步取代pol ，在，在RNA引物引物的的3 -OH基础上连续合成领头链。随从链引物也基础上连续合成领头链。随从链引物也由由pol 催化合成。然后由催化合成。然后由PCNA协同，协同，p

37、ol 置换置换pol ，继续合成，继续合成DNA子链。子链。 二、真核生物复制的延长发生二、真核生物复制的延长发生DNA聚合酶聚合酶/转换转换目目 录录3 5 5 3 领头链领头链3 5 3 5 亲代亲代DNA随从链随从链引物引物核小体核小体（二）复制的延长（二）复制的延长目目 录录3 5 5 3 领头链领头链3 5 3 5 亲代亲代DNA后随链后随链引物引物核小体核小体三、真核生物三、真核生物DNA合成后立即组装成核小体合成后立即组装成核小体目目 录录染色体染色体DNA呈线状，复制在末端停止。呈线状，复制在末端停止。复制中岡崎片段的连接，复制子之间的连接。复制中岡崎片段的连接，复制子之间的连

38、接。染色体两端染色体两端DNA子链上最后复制的子链上最后复制的RNA引物，引物，去除后留下空隙。去除后留下空隙。四、端粒酶参与解决染色体末端复制问题四、端粒酶参与解决染色体末端复制问题5 3 3 5 5 3 3 5 +5 3 3 3 3 5 5 目目 录录目目 录录端粒端粒(telomere)指真核生物染色体线性指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。分子末端的结构。功能功能 维持染色体的稳定性维持染色体的稳定性 维持维持DNA复制的完整性复制的完整性结构特点结构特点 由末端单链由末端单链DNA序列和蛋白质构成。序列和蛋白质构成。 末端末端DNA序列是多次重复的富含序列是多次重复的富含T、

39、G碱碱基的短基的短 序列。序列。TTTTGGGGTTTTGGGG目目 录录端粒酶端粒酶(telomerase)端粒酶端粒酶RNA (human telomerase RNA, hTR)端粒酶协同蛋白端粒酶协同蛋白(human telomerase associated protein 1, hTP1)端粒酶逆转录酶端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse transcriptase, hTRT) 组成组成目目 录录 目目 录录端粒酶的催端粒酶的催化延长作用化延长作用爬爬行行模模型型目目 录录DNADNA聚合酶复制子链聚合酶复制子链进一步加工进一步加工目目 录录目目 录录

40、逆转录和其他复制方式逆转录和其他复制方式Reverse Transcription & Other DNA Replication Ways第五节第五节目目 录录双链双链DNA是大多数生物的遗传物质。某些病是大多数生物的遗传物质。某些病毒的遗传物质是毒的遗传物质是RNA。原核生物的质粒，真。原核生物的质粒，真核生物的线粒体核生物的线粒体DNA，都是染色体外存在的，都是染色体外存在的DNA。这些非染色体基因组，采用特殊的方。这些非染色体基因组，采用特殊的方式进行复制。式进行复制。目目 录录反转录酶反转录酶(reverse transcriptase) 反转录反转录(reverse transcr

41、iption) 反转录酶反转录酶一、反转录病毒和反转录酶一、反转录病毒和反转录酶 目目 录录反转录病毒细胞内的反转录现象反转录病毒细胞内的反转录现象RNA 模板模板反转录酶反转录酶DNA-RNA 杂杂化双链化双链RNA酶酶单链单链DNA反转录酶反转录酶双链双链DNA目目 录录RNA病毒在细胞内复制成双链病毒在细胞内复制成双链DNA的的前病毒前病毒(provirus)。前病毒保留了。前病毒保留了RNA病毒全部遗传信病毒全部遗传信息，并可在细胞内独立繁殖。在某些情况下，前息，并可在细胞内独立繁殖。在某些情况下，前病毒基因组通过病毒基因组通过基因重组基因重组(recombination)，参加，参加

42、到细胞基因组内，并随宿主基因一起复制和表达到细胞基因组内，并随宿主基因一起复制和表达。这种重组方式称为。这种重组方式称为整合整合(integration)。前病毒。前病毒独立繁殖或整合，都可成为致病的原因。独立繁殖或整合，都可成为致病的原因。 目目 录录逆转录酶催化的逆转录酶催化的cDNA合成合成目目 录录二、反转录研究的意义二、反转录研究的意义 反转录酶和反转录现象，是分子生物学研究反转录酶和反转录现象，是分子生物学研究中的重大发现。中的重大发现。 反转录现象说明：至少在某些生物，反转录现象说明：至少在某些生物，RNA同同样兼有遗传信息传代与表达功能。样兼有遗传信息传代与表达功能。对反转录病

43、毒的研究，拓宽了对反转录病毒的研究，拓宽了20世纪初已注世纪初已注意到的意到的病毒致癌理论病毒致癌理论。 目目 录录 滚环复制滚环复制(rolling circle replication)三、滚环复制和三、滚环复制和D环复制环复制 是某些低等生物的复制形式，如是某些低等生物的复制形式，如 X174和和M13噬菌体等。噬菌体等。3 -OH5 -P5 5 5 3 3 3 3 5滚环复制滚环复制5 5 3 3 5 目目 录录目目 录录dNTPDNA-pol D环复制环复制(D-loop replication) 是线粒体是线粒体DNA (mitochondrial DNA，mtDNA)的复制形式。

44、的复制形式。 目目 录录D-环复制时需合成引物。环复制时需合成引物。mtDNA为双链，第一为双链，第一个引物以内环为模板延伸。至第二个复制起始点个引物以内环为模板延伸。至第二个复制起始点时，又合成另一个反向引物，以外环为模板进行时，又合成另一个反向引物，以外环为模板进行反向的延伸。最后完成两个双链环状反向的延伸。最后完成两个双链环状DNA的复的复制。复制中呈字母制。复制中呈字母D形状而得名。形状而得名。D环复制的特点环复制的特点是复制起始点不在双链是复制起始点不在双链DNA同一同一位点，内、外环复制有时序差别。位点，内、外环复制有时序差别。目目 录录DNA损伤（突变）与修复损伤（突变）与修复D

45、NA Damage (Mutation) and Repair第六节第六节目目 录录遗传物质的结构改变而引起的遗传信息遗传物质的结构改变而引起的遗传信息改变，均可称为改变，均可称为突变。突变。在复制过程中发生的在复制过程中发生的DNA突变称为突变称为DNA损伤损伤(DNA damage)。从分子水平来看，突变就是从分子水平来看，突变就是DNA分子上分子上碱基的改变。碱基的改变。 目目 录录一、突变的意义一、突变的意义（一）突变是进化、分化的分子基础（一）突变是进化、分化的分子基础（二）突变导致基因型改变（二）突变导致基因型改变（三）突变导致死亡（三）突变导致死亡（四）突变是某些疾病的发病基础（

46、四）突变是某些疾病的发病基础 目目 录录二、引发突变的因素二、引发突变的因素物理因素物理因素 紫外线紫外线(ultra violet, UV)、各种辐射、各种辐射 UV化学因素化学因素常见的化学诱变剂常见的化学诱变剂化合物类别化合物类别作作 用用 点点分子改变分子改变碱基类似物碱基类似物如：如：5-BUA 5-BU G- A - T - G - C -羟胺类（羟胺类（NH2OH）T C- T - A - C - G -亚硝酸盐（亚硝酸盐（NO2）C U- G - C - A - T -烷化剂烷化剂如：氮芥类，如：氮芥类，NitrominsG mGG mGDNA缺失缺失G目目 录录目目 录录三、

47、突变的分子改变类型三、突变的分子改变类型错配错配 (mismatch)缺失缺失 (deletion)插入插入 (insertion)重排重排 (rearrangement)框移框移(frame-shift) 目目 录录DNA分子上的碱基错配称分子上的碱基错配称点突变点突变(point mutation)。发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。 1. 转换转换发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。或嘧啶变嘌呤。 2. 颠换颠换（一）错配（一）错配目目 录录镰形红细胞贫血病人镰

48、形红细胞贫血病人Hb (HbS) 亚基亚基N-val his leu thr pro val glu C 肽链肽链CAC GTG基因基因正常成人正常成人Hb (HbA)亚基亚基N-val his leu thr pro glu glu C 肽链肽链CTC GAG基因基因目目 录录（二）缺失（二）缺失、插入插入和框移和框移缺失：缺失：一个碱基或一段核苷酸链从一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上大分子上消失。消失。插入：插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到到DNA大分子中间。大分子中间。移码突变移码突变是指三联体密码的阅读方式改变，造是指三联体密码的阅

49、读方式改变，造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。 缺失或插入都可导致缺失或插入都可导致移码突变移码突变 。目目 录录谷谷 酪酪 蛋蛋 丝丝5 G C A G U A C A U G U C 丙丙 缬缬 组组 缬缬正常正常5 G A G U A C A U G U C 缺失缺失C缺失引起框移突变缺失引起框移突变目目 录录（三）重排（三）重排DNA分子内较大片段的交换，称为分子内较大片段的交换，称为重组或重排。重组或重排。 由基因重排引起的两种地中海贫血基因型由基因重排引起的两种地中海贫血基因型目目 录录目目 录录四、四、DNA损伤的修复损伤的修复修复修复(repai

50、ring) 是对已发生分子改变的补偿措施，使其是对已发生分子改变的补偿措施，使其回复为原有的天然状态。回复为原有的天然状态。光修复光修复(light repairing)切除修复切除修复(excision repairing)重组修复重组修复(recombination repairing)SOS修复修复 修复的主要类型修复的主要类型目目 录录（一）光修复（一）光修复光修复酶光修复酶(photolyase) UVUvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶聚合酶OHP （二）切除修复（二）切除修复是细胞内最重要和是细胞内最重要和有效的修复机制，主要有效的修复机制，主要由由DNA-pol和连接酶和连接酶完成。完成。DNA连接酶连接酶ATPE.coli的切除的切除修复机制修复机制目目 录录目目 录录切切 除除 修修 复复 动动 画画目目 录录