第十二章 DNA的生物合成

第十二章DNA的生物合成

本章重点介绍遗传中心法则和DNA半保留复制方式，掌握复制的化学反应和复制方向，以及参与DNA复制的酶和蛋白质因子，掌握DNA复制的基本过程。了解逆转录机逆转录酶，了解DNA突变及修复方式。思考

DNA是绝大多数生物体遗传信息的载体，继1953年Watson&Crick提出DNA双螺旋结构模型后，1958年，Crick提出了“中心法则”(Centraldogma)揭示了遗传信息的传递规律。wehadfoundthesecretoflife遗传信息传递的中心法则

蛋白质逆转录翻译转录复制复制DNARNA生物的遗传信息以密码的形式储存在DNA分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序。在细胞分裂的过程中，通过DNA复制把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递给两个子代细胞。在子代细胞的生长发育过程中，这些遗传信息通过转录传递给RNA，再由RNA通过翻译转变成相应的蛋白质多肽链上的氨基酸排列顺序，由蛋白质执行各种各样的生物学功能，使后代表现出与亲代相似的遗传特征。后来人们又发现，在宿主细胞中一些RNA病毒能以自己的RNA为模板复制出新的病毒RNA，还有一些RNA病毒能以其RNA为模板合成DNA，称为逆转录，这是中心法则的补充。

中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律，揭示遗传的分子基础，不仅使人们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而且以这方面的理论和技术为基础发展了基因工程，给人类的生产和生活带来了深刻的革命。？目录第一节半保留复制第二节

DNA的生物合成第三节DNA的损伤与修复第四节DNA重组第一节半保留复制

（DNA指导下的DNA合成）

DNA在复制过程中首先是两条链间的氢键断裂，然后双链解开。接着再以每一条链为模板，按照碱基互补配对原则（A:T,G:C）,由DNA聚合酶催化合成新的互补链。这样新形成的两个DNA分子与原来的DNA分子的碱基序列完全相同。每个子代DNA中的一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的，这种复制方式称为半保留复制。DNA半保留复制的实验依据

1958年Meselson&stahl用同位素示踪标记/密度梯度离心技术实验,证明了DNA是采取半保留的方式进行复制.第二节

DNA的生物合成DNA合成的通式及方向参与DNA复制的酶和蛋白因子原核生物DNA复制的过程真核生物DNA复制的过程逆转录作用（RNA指导下的DNA的合成）DNA合成的通式及方向

DNA合成是以4种dNTP(N=A,T,G,C)为底物，在DNA聚合酶的催化下，向DNA的3’-OH添加脱氧核苷酸使链延长的过程。原核生物参与DNA复制的酶和蛋白因子DNA聚合酶(DNApolymerases)DNA解旋酶(DNAhelicase)单链结合蛋白(single-strandbindingprotein,SSB)：结合在解开的DNA单链上，防止重新形成双螺旋。拓扑异构酶(topoisomerase):兼具内切酶和连接酶活力，能迅速将DNA超螺旋或双螺旋紧张状态变成松驰状态，便于解链。引物酶(primase)和引发体(primosome)：启动RNA引物链的合成。DNA连接酶（DNAligase）大肠杆菌有三种DNA聚合酶分子量每个细胞的分子统计数5´-3´聚合酶作用3´-5´核酸外切酶作用5´-3´核酸外切酶作用聚合速度(核苷酸/分)持续合成能力主要功能PolⅠPolⅡPolⅢ109,000400+++1000-12003-200DNA修复RNA引物切除120,000100++-24001500DNA修复400,00010-20+++15000-60000≥500000DNA复制比较项目DNA聚合酶ⅠDNA聚合酶ⅡDNA聚合酶ⅢDNApolymeraseI大片段(Klenowfragment)小片段5´-3´聚合酶作用3´-5´核酸外切酶作用5´-3´核酸外切酶作用DNApolymeraseIIIDNAhelicaseIfIwereanenzyme,IwouldbeDNAhelicase,

soIcouldunzipyourgenesSingle-strandedDNAbindingproteinfrom

M.tuberculosis,

M.lepraeandM.megmatis

SSBprimase

Aprimosomeisacomplexofsevenproteins:DnaG

primase,DnaB

helicase,DnaC

helicaseassistant,DnaT,PriA,PriB,andPriC.DNALigase

ligasefrommanybacteriahttp:///pdb/static.do?p=education_discussion/molecule_of_the_month/pdb55_1.html不能催化单链DNA连接必须具有粘性末端双链DNA，而不是平齐末端羟基和磷酸基团必须相邻topoisomerasecutsonestrandofaDNAdoublehelixandthenreannealsthecutstrand.cutsbothstrandsofoneDNAdoublehelix,passesanotherunbrokenDNAstrandthroughit,andthenreannealsthecutstrandTypeITypeII原核生物DNA复制的过程DNA复制的起点和方式DNA链的合成与延长终止复制的忠实性DNA复制的起点和方式未复制DNA复制叉的推进环状

DNA复制时所形成的Q结构起始点双向复制GATCTNTTNTTT成串排列的三个13bp序列共有序列共有序列TTATCCACA

DnaA蛋白结合位点四个9bp序列DnaADnaB(解螺旋酶)SSBE.ColiDNA复制起点在起始阶段的结构模型DNA链的合成与延长复制叉的移动方向拓扑异构酶DNA聚合酶III解链酶RNA引物引物酶DNA聚合酶ISSB3´3´5´前导链滞后链3´5´5´RNA引物3´3´终止Mg2+连接酶ATP或NAD＋PPi或NMNATCGPTTPPPAACCTGAPACPPPPOHTGGATCGPTTPPPAACCTGAPACPPPTGGP缺口(nick）3'3'5'5'5'5'3'3'模板链模板链PoliI切除RNA引物Ligase

连接DNA复制的忠实性

DNA复制过程是一个高度精确的过程，据估计，大肠杆菌DNA复制109-1010碱基对仅出现一个误差，保证复制忠实性的原因主要有三点:a、DNA聚合酶的高度专一性（严格遵循碱基配对原则）b、DNA聚合酶的校对功能（错配碱基被3’-5’

外切酶切除）c、起始时以RNA作为引物DNA聚合酶的校对功能聚合酶错配碱基复制方向正确核苷酸5´5´5´3´3´3´切除错配核苷酸DNA聚合酶的3-5

外切酶水解位点3´3´5´5´错配碱基3´-5´核酸外切酶水解位点DNA聚合酶的5-3

外切酶水解位点真核细胞DNA复制的特点多个起点复制起点起点起点起点起点起点端粒（telemere）复制真核和原核DNA细胞复制比较端粒酶（telomerase）

DNA复制需要引物，但在线形DNA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.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短。这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RNA的蛋白复合物，实质上是一种逆转录酶，它能催化互补于RNA模板的DNA片段的合成，使复制以后的线形DNA分子的末端保持不变。

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力，体细胞则否。这一问题的解决无疑会有助于对生命衰老的认识。5´3´AAAACCCCAAAACCCCCCA端粒酶端粒合成的一种模型3´5´TTTTGGGGTTTTG5´3´AAAACCCCAAAACCCCCCAAA3´5´TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTG5´3´AAAACCCCAAAACCCCCCAAATTGGGTGGGT3´5´AATTTTG5´3´AAAACCCCAAAACCCCCCAGTTTTG整合移位端粒合成的完成TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTGGGGTTTT5´3´nAA3´TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTGGGGT5´3´TTCCCCTnAA3´TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTGGGGT5´3´TTAAAACCCCAAAACCCCAAAACCCCTn进一步加工继续延伸逆转录作用1、概念2、逆转录酶3、病毒逆转录过程4、逆转录的生物学意义扩充了中心法则有助于对病毒致癌机制的了解与真核细胞分裂和胚胎发育有关逆转录酶是分子生物学重要工具酶三种功能依赖DNA指导下的DNA聚合酶活力依赖RNA的DNA聚合酶活力核糖核酸酶H活力以RNA为模板合成DNA，这与通常转录过程中遗传信息从DNA到RNA的方向相反，故称为逆转录作用。逆转录过程中cDNA的合成

依赖RNA的DNA聚合酶核糖核酸酶H活力依赖DNA的DNA聚合酶逆逆转录病毒的生活周期

生活周期RNA衣壳被膜逆转录酶转录转译整合入宿主细胞染色体DNA进入细胞丢失被膜丢失衣壳逆转录RNARNAcDNA衣壳蛋白被膜蛋白逆转录酶

第三节DNA损伤与修复某些物理（紫外线、电离辐射）和化学或生物学因素的作用，或者由于生物体DNA复制过程出现异常均可引起DNA分子的损伤或改变。如果DNA损伤不能修复，对体细胞可能影响其功能或生存，对生殖细胞则可能影响到其后代。一、损伤类型

碱基对的置换(substitution)

移码突变(framesshiftmutation)暗修复二、DNA修复类型（1）光裂合酶修复（2）切除修复（3）重组修复（4）诱导修复（SOS修复）-T-C-G-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-C-G-A-C-A-T-G-C-转换A

-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-缺失T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-G-C-A-G-A-C-A-T-G-C-颠换碱基对的置换(substitution)

-T-C-G-A-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-T-C-G-A-C-A-T-G-C-插入移码突变(framesshiftmutation)DNA紫外线损伤的光裂合酶修复A形成嘧啶二聚体B光复合酶结合于损伤部位C修复后酶被释放切除修复碱基丢失碱基缺陷或错配结构缺陷切开核酸内切酶核酸外切酶切除DNA聚合酶DNA连接酶AP核酸内切酶核酸外切酶切开切除修复连接糖苷酶插入酶碱基取代DNA的重组修复胸腺嘧啶二聚体复制核酸酶及重组蛋白修复复制DNA聚合酶DNA连接酶重组SOS反应的机制靶基因表达lexA靶基因表达

但产物被分解recA大量表达RecA促使分解LexA未诱导的细胞诱导的细胞靶基因lexA基因被LexA

蛋白质部分阻遏recA基因被LexA

蛋白质部分阻遏（40个不同的位点被阻遏）LexA(阻遏物)

RecA(辅蛋白酶)单链