讲第二章染色体与DNA课件

一、染色体二、DNA的组成与结构三、DNA的复制四、原核与真核生物DNA的复制特点五、DNA的修复六、DNA的转座第二章染色体与DNA一、染色体(chromosome)的组成与结构1、细胞－染色体真核细胞与原核细胞结构的比较染色体的形态示意图人类22对染色体及性染色体显微结构图

2、真核生物染色体的组成与结构

染色体作为遗传物质的特征：分子相对稳定；能自我复制，保持遗传连续性；能指导蛋白质合成，控制生命过程；能产生可遗传的变异DNA的分布主要在染色体上细胞质内细胞核遗传细胞质遗传生物的遗传（所以说，染色体是DNA的主要载体）例：紫茉莉叶色的遗传染色体的组成与结构

组成:(1)DNA：约占30%，每条染色体有一个双链DNA分子。是遗传信息的载体，也就是所称的遗传物质。(2)蛋白质组蛋白(histone)：呈碱性，结构稳定；与DNA结合形成核小体，能维持染色质结构，与DNA含量呈一定的比例（真核细胞中，DNA与组蛋白的质量比约为1：1）。非组蛋白：呈酸性，种类和含量不稳定；作用还不完全清楚，可能与染色质结构调节有关，在DNA遗传信息的表达中起调控作用。(3)另外，可能存在少量的RNA（尚未完成转录而仍与模板DNA相连接的那些RNA，其含量不到DNA的10%）。

组蛋白的特性简述真核生物染色体上组蛋白的种类，组蛋白修饰的种类及其生物学意义中国科学院2003年硕士研究生入学《生物化学与分子生物学》试题

在细胞周期特定时间可发生甲基化、乙酰化、磷酸化和ADP核糖基化等。H3、H4修饰作用较普遍，H2B有乙酰化作用、H1有磷酸化作用。所有这些修饰作用都有一个共同的特点，即降低组蛋白所携带的正电荷。这些组蛋白修饰的意义：一是改变染色体的结构，直接影响转录活性；二是核小体表面发生改变，使其他调控蛋白易于和染色质相互接触，从而间接影响转录活性。组蛋白的可修饰性非组蛋白主要种类非组蛋白主要包括酶类及与细胞分裂相关的各种蛋白质：非组蛋白的多样性:种类很多，约在20-100种之间，其中常见的有15-20种。非组蛋白有组织专一性和种属专一性。（1）HMG蛋白(高速涌动蛋白)

：富含赖AA、精AA、谷AA与天冬AA，与DNA的超螺旋结构有关。（2）DNA结合蛋白：是与DNA的复制或转录有关的酶或调节物质。（3）A24非组蛋白：与H2A差不多大小（两个N端），呈酸性，含有较多的谷AA与天冬AA，于核小体内，功能不详。物种的C值往往与它进化的复杂程度不一致，某些低等生物却具有较大的C值。称为C值矛盾（C值反常现象）。简述DNA的C值以及C值矛盾（CValueparadox）.中科院上海生化所98年上海第二军医大：C值矛盾C值矛盾产生的原因？

真核生物基因组中存在大量的不编码基因产物的DNA序列，是没有生理功能的。一般而言，越是简单的生物基因组不编码蛋白质的DNA序列越少，它们的结构基因的数目越接近DNA含量所估计的基因数。

异染色质：间期核中染色质纤维折叠压缩程度高，处于凝缩状态，染料着色深的染色质。富含重复DNA序列。

{组蛋白：

H1H2AH2BH3H4非组蛋白}核小体{DNA蛋白质染色体真核生物染色体的组成染色质(chromatin)和核小体(nucleosome)中国科学院上海生化与细胞所2002年招收硕士研究生分子遗传学入学考试：简述真核细胞内核小体与核小体核心颗粒的结构。

Nucleosome、chromosome、genome中科院2002年硕士学位研究生入学分子遗传学试题染色体的

结构模型DNA+组蛋白核小体+连接丝核小体+连接丝

螺线管（solenoid）螺线管超螺线管（super-solenoid）超螺线管

染色体宽度增加长度压缩第一级DNA+组蛋白核小体5倍7倍第二级核小体螺线体3倍6倍第三级螺线体超螺线体13倍40倍第四级超螺线体染色体2.5-5倍5倍500-1000倍8400倍

(8000-10000)染色体形成过程中长度与宽度的变化真核生物基因组结构特点●真核基因组结构庞大

3×109bp●单顺反子●基因不连续性断裂基因（interruptedgene）、内含子(intron)、外显子(exon)●非编码区较多多于编码序列(9:1)●含有大量重复序列3、原核生物基因组特点

原核与真核生物染色体DNA比较1、原核生物中一般只有一条染色体且大都带有单拷贝基因，只有很少数基因〔如rRNA基因〕是以多拷贝形式存在.

2、原核生物中整个染色体DNA几乎全部由功能基因与调控序列所组成；且有重叠基因。3、原核生物中几乎每个基因序列都与它所编码的蛋白质序列呈线性对应状态(无内含子)。4、真核生物中具结构相似、功能相关的基因组成的基因家族5、原核基因组含有大量单一序列（unique-sequences），仅有少量的重复序列。真核基因组含少量单一序列和大量重复序列。6、原核生物的细胞中除了主染色体以外，还含有各种质粒和转座因子。真核生物还有细胞器基因组。二、DNA的组成与结构1、化学组成与基本单位基本单位－脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid）在DNA分子中磷酸和脱氧核糖是不变的，而四种含氮碱基是可变的。核苷酸中的碱基（base）：鸟嘌呤(Guanine)/腺嘌呤(Adenine)，胞嘧啶(Cytosine)/尿嘧啶(Uracil)/胸腺嘧啶(Thymine)。DNA：A/G/C/TRNA：A/G/C/U有些核酸中还含有修饰碱基，(或稀有碱基)，一般这些碱基在核酸中的含量稀少。脱氧核苷酸的种类

核酸中的戊糖有核糖(ribose)和脱氧核糖(deoxyribose)两种，分别存在于核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸中。

AGCT腺嘌呤脱氧核苷酸鸟嘌呤脱氧核苷酸胞嘧啶脱氧核苷酸

胸腺嘧啶脱氧核苷酸核苷中戊糖与碱基的连接方式：腺嘌呤核苷（adenosine）胞嘧啶脱氧核苷（deoxycytidne）2、DNA的结构1）

概念指4种脱氧核苷酸的连接及其排列顺序，DNA序列是这一概念的简称。碱基序列DNA的一级结构2）特征：●双链反向平行配对而成●脱氧核糖和磷酸交替连接，构成DNA骨架，碱基排在内侧●内侧碱基通过氢键互补形成碱基对（A：T，C：G）。

50年代初，Chargaff应用紫外分光光度法结合纸层析等简单技术，对多种生物DNA作碱基定量分析，发现DNA碱基组成有如下规律:(1)同一生物的不同组织的DNA碱基组成相同；(2)一种生物DNA碱基组成不随生物体的年龄、营养状态或者环境变化而改变；(3)几乎所有的DNA，([A]=[T])，([G]=[C])，(［A＋G］=［C＋T])。(4)不同生物来源的DNA碱基组成不同，表现在A＋T/G＋C比值的不同；3、DNA的二级结构

Watson和Crick以立体化学原理为准则，对Wilkins和Franklin的DNAX-射线衍射分析结果加以研究，提出了DNA结构的双螺旋模式。绕DNA双螺旋表面上出现的螺旋槽（沟），宽的沟称为大沟，窄沟称为小沟。大沟，小沟都是由于碱基对堆积和糖-磷酸骨架扭转造成的。

1953年DNA双螺旋分子模型一文在《自然》杂志上发表不足两页，字不过千。但是，它的价值已得到历史的验证，它是公认的人类科学发展史上的里程碑。其实，提出第一个DNA分子模型的是著名化学家L.Pauling。文章发表在1953年《自然》杂志的同一卷上。可惜这是一个错误的三链螺旋模型。核酸的磷酸基团处于中轴，核酸的碱基处于外周，这和核酸的酸性分子特征就不符合。明显错误的论文发表在世界权威的学术刊物上。这个故事说明不可盲目崇拜，对什么人、什么事都要具体分析。当时，L.Pauling在化学键和蛋白质α-螺旋结构模型上有突出的贡献，因而获1954年诺贝尔化学奖。

影响双螺旋结构稳定性的力（1）氢键（2）疏水作用-碱基堆集力（3）范德华力（4）磷酸基的负电荷静电斥力（5）碱基分子内能DNA二级结构的多态性B-DNA：Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构属于B型双螺旋，它是以在生理盐水溶液中抽出的DNA纤维在92%相对湿度下进行X-射线衍射图谱为依据进行推测的，这是DNA分子在水性环境和生理条件下最稳定的结构。A-DNA：在钾或铯离子存在条件下，相对湿度为75%时，DNA分子的X-射线衍射图给出的是A构象，A-DNA每螺旋含11个碱基对。而且变成A-DNA后，大沟变窄、变深，小沟变宽、变浅。(一条链为RNA链)Z-DNA：（1）糖磷骨架呈“之”字形（Zigzag）走向。（2）左旋。螺距延长(4.5nm左右)，直径变小(1.8nm)，

每个螺旋含12个碱基对，比A-DNA拧得更紧。（3）Z-DNA中的碱基对不像B-DNA中那样位于双链的中央，鸟嘌呤碱基的第8个碳原子位于双链之外。（4）分子外形呈波形。（5）双螺旋中不存在深沟，只有浅沟。由于几乎不存在易被蛋白质识别的沟，Z-DNA可能是利用位于双链分子外围的鸟嘌呤碱基与化学物质发生识别反应。（6）分析还证明Z-DNA的形成是DNA单链上出现嘌呤与嘧啶交替排列所成的。比如CGCGCGCG或者CACACACA

Z-DNA结构是1979年由Rich提出的。该模型的提出曾一度动摇过右手螺旋学说。现已证明，左手螺旋Z-DNA只是右手螺旋结构模型的一个补充和发展。ABZABZ

B-DNA是活性最高的DNA构象，B-DNA变构成为A-DNA后，仍有活性，但若局部变构为Z-DNA后则活性明显降低。三种不同构象的DNA活性概念：三链DNA是由三条脱氧核苷酸链按一定的规律绕成的螺旋状结构。结构：是在Watson-Crick双螺旋基础上形成的，其中大沟中容纳第三条链形成三股螺旋。在三螺旋DNA中三个碱基配对（Hoogsteenbasepairing）形成三碱基体:T-A-T，C-G-C。作用：还不清楚三链DNA复习染色体作为遗传物质的特征?分子相对稳定；能自我复制，保持遗传连续性；能指导蛋白质合成，控制生命过程；能产生可遗传的变异染色体的组成?(1)DNA：约占30%，每条染色体有一个双链DNA分子是遗传信息的载体，也就是所谓的遗传物质(2)

蛋白质组蛋白：呈碱性，结构稳定；与DNA结合形成核小体，能维持染色质结构，与DNA含量呈一定的比例。在基因表达中起负调控作用。非组蛋白：呈酸性，种类和含量不稳定；作用还不完全清楚，可能与染色质结构调节有关，在DNA遗传信息的表达中起调控作用。(3)另外，可能存在少量的RNA真核生物组蛋白的种类与特性?

组蛋白分为H1、H2A、H2B、H3、H4（1）进化上的极端保守性（不同生物组蛋白的氨基酸组成非常相似）（2）无组织特异性:到目前为止，仅发现鸟类、鱼类及两栖类红细胞染色体不含H1而带有H5，精细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白(例外)。（3）肽链上AA分布的不对称性:碱性氨基酸集中分布在N端的半条链上。而大部分疏水基团都分部在C端。（4）组蛋白的修饰作用:包括甲基化、乙基化、磷酸化及ADP核糖基化等（5）组蛋白H5富含赖氨酸C值矛盾?C值：通常指一种生物单倍体基因组DNA的总量。物种的C值往往与它进化的复杂程度不一致，某些低等生物却具有较大的C值。称为C值矛盾（C值反常现象）。上海第二军医大硕士研究生入学考试试题：基因组的特点（真核、原核比较）●基因组很小，大多只有一条染色体●

结构简炼●存在转录单元(trnascriptionaloperon)

多顺反子(polycistron)X174D-E-J-F-G-HmRNA蛋白J、F、GHDEE.coli色氨酸操纵子9个顺反子9个酶(第六章)原核生物基因组结构特点

●有重叠基因（Sanger发现）基因内基因部分重叠基因一个碱基重叠真核生物基因组结构特点●真核基因组结构庞大

3×109bp●单顺反子●基因不连续性断裂基因（interruptedgene）、内含子(intron)、外显子(exon)●非编码区较多多于编码序列(9:1)●含有大量重复序列■不重复序列/单一序列：在基因组中有一个或几个拷贝。真核生物的大多数基因在单倍体中都是单拷贝的。如：蛋清蛋白、血红蛋白等功能：主要是编码蛋白质。■中度重复序列：在基因组中的拷贝数为101~104。如：rRNA、tRNA

一般是不编码蛋白质的序列，在调控基因表达中起重要作用

根据DNA复性动力学研究，DNA序列可以分成哪几种类型？并加以举例说明。(2001年上海生化所）■高度重复序列：拷贝数达到几百个到几百万个。

●卫星DNA：A·T含量很高的简单高度重复序列。核小体的结构?核小体是由H2A、H2B、H3、H4各两个分子生成的八聚体和由大约200bpDNA组成的。八聚体在中间，DNA分子盘绕在外，而H1则在核小体的外面。每个核小体只有一个H1。染色体的形成过程?DNA+组蛋白核小体+连接丝核小体+连接丝

螺线管（solenoid）螺线管超螺线管（super-solenoid）超螺线管

染色体4、DNA的三级结构（高级结构）所谓DNA的三级结构，是指在一二结构基础上的多聚核苷酸链上的卷曲。在一定意义上，是指双螺旋基础上的卷曲。三级结构包括链的扭结和超螺旋或者是单链形成的环或是环状DNA中的连环体。环状DNA形成的超螺旋超螺旋结构是DNA高级结构的主要形式，可分为正超螺旋与负超螺旋两大类，正超螺旋使双螺旋结构更紧密，双螺旋圈数增加，而负超螺旋可以减少双螺旋的圈数。他们在特殊情况下可以相互转变。拓扑异构酶or溴化乙锭拓扑异构酶or溴化乙锭DNA扭曲与双螺旋相同（拧紧）DNA扭曲与双螺旋相反（松开）负超螺旋松弛DNA正超螺旋松驰型DNA（relaxform）。超螺旋（Supercoied）

DNA，天然的DNA都呈负超螺旋，但在体外可得正超螺旋。原核生物DNA的三级结构：绝大多数原核生物的DNA都是共价封闭的环状双螺旋。如果再进一步盘绕则形成麻花状的超螺旋三级结构。

超螺旋的生物学意义

B-DNA是一种热力学上稳定的结构，超螺旋的引入就提高了它的能量水平。DNA特定区域中超螺旋的增加有助于DNA的结构转化。超螺旋推动着结构的转化以满足功能上的需要。三、DNA的复制(DNAreplication)DNA做为遗传物质的基本特点就是在细胞分裂前进行准确地自我复制(self-replication)，使DNA的量成倍增加，这是细胞分裂的物质基础。曾经有过多种关于DNA复制方式的学说，包括半保留复制，全保留复制以及分散复制等。全保留复制:复制后，两条母链彼此结合，恢复原状，新合成的两条子链彼此互补结合形成新的双链。

分散复制:

亲代双链被切成双链片段，而这些片段有可作为新合成双链片段的模板，新、老双链片段又以某种方式聚集成“杂种链”Semi-conservativeConservativeDispersive1、定义：由亲代DNA生成子代DNA时，每个新形成的子代DNA中，一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的，这种复制方式称半保留复制。（一）DNA的半保留复制（semi-conservativereplication）中国科学院上海生化与细胞所2002年招收硕士研究生分子遗传学入学考试：请设计一个实验来证明DNA复制是以半保留方式进行的（8分）。2、实验证据（1958Meselson和Stahl）：

MatthewMesselsonFranklinStahl1958年Meselson和Stahl利用氮标记技术在大肠杆菌中首次证实了DNA的半保留复制（实验验证）P38“Heavy”DNA“Hybrid”

DNA“light”DNA“Hybrid”DNA1.大肠杆菌长期在含15NH4CL培养液中培养，使所有细菌DNA都被N15标记。2.用普通培养液（14NH4CL）培养15N标记的大肠杆菌。

3、DNA半保留复制的生物学意义：

DNA的半保留复制表明DNA在代谢上的稳定性，保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代。

（二）与DNA复制有关的物质1、原料：四种脱氧核苷三磷酸（dATP、dGTP、dCTP、dTTP)2、模板：以DNA的两条链为模板链，合成子代DNA3、引物：DNA的合成需要一段RNA链作为引物4、DNA复制酶和相关蛋白质P44①与超螺旋松驰有关的酶--拓扑异构酶②DNA解螺旋酶/解链酶（DNAhelicase)③引物合成酶（引发酶）④引发体(primosome)⑤单链结合蛋白(SSB)⑥

DNA聚合酶⑦DNA连接酶①

与超螺旋松驰有关的酶：拓扑异构酶(topoisomerase)拓扑异构酶Ⅰ(TopoⅠ)：转轴酶

主要是将环状双链DNA的一条链切开一个口，切口处链的末端绕螺旋轴按照松驰超螺旋的方向转动，张力下降后再将切口封起来。使DNA复制叉移动时所引起的前方DNA正超螺旋得到缓解，有利于DNA复制叉继续向前打开。拓扑异构酶Ⅱ(TopoⅡ):旋转酶在无ATP参与时，切断DNA双链，使DNA分子从超螺旋状态转变为松驰状态。再连接。DNA复制完成后，TopoⅡ在ATP参与下，使DNA分子从松驰状态转变为负超螺旋。②DNA解螺旋酶/解链酶（DNAhelicase)

通过水解ATP获得能量来打开DNA双链之间的氢键，解开DNA双链。大肠杆菌中有DnaB,PriA和Rep蛋白，还有解螺旋酶I、II、III。③引物合成酶（引发酶）：此酶以DNA为模板合成一段RNA,

这种短RNA片段一般十几个至数十个核苷酸不等，它们在DNA复制起始处做为合成DNA的引物（Primer)。

引发酶实质是以DNA为模板的RNA聚合酶。④引发体(primosome)

高度解链的模板DNA与多种蛋白质因子形成的引发前体促进引物酶结合上来，共同形成引发体，引发体主要在随从链上，连续地与引物酶结合并解离，从而在不同部位引导引物酶催化合成RNA引物.⑤单链结合蛋白(SSB)

与解开的单链DNA结合，使其不再度螺旋化，保持单链结构；并保护单链不被核酸酶降解。可以重复利用。⑥

DNA聚合酶:以DNA为模板的DNA合成酶1957年，Arthurkornberg首次在大肠杆菌中发现DNA聚合酶Ⅰ，(DNApolⅠ)后来又相继发现了DNA聚合酶Ⅱ和DNA聚合酶Ⅲ。(DNApolⅡ,DNApolⅢ)实验证明大肠杆菌中DNA复制的主要过程靠DNApolⅢ起作用，而DNApolⅠ和DNApolⅡ在DNA错配的校正和修复中起作用。DNA聚合酶的共同特性:①酶的作用需要DNA模板，因此这类酶又称为依赖DNA的DNA聚合酶(DDDP)。②需要RNA或DNA做为引物(primer)，即DNA聚合酶不能从头催化DNA的起始。③催化dNTP加到引物的3′-OH末端，因而DNA合成的方向是5′→3′。④三种DNA聚合酶都属于多功能酶，它们在DNA复制和修复过程的不同阶段发挥作用。性质聚合酶Ⅰ聚合酶Ⅱ聚合酶Ⅲ3'5'外切活性+++5'3'外切活性+--5'3'聚合活性+中+很低+很高新生链合成--+主要是对DNA损伤的修复；以及在DNA复制时切除RNA引物并填补其留下的空隙。修复紫外光引起的DNA损伤DNA复制的主要聚合酶，还具有3’-5’外切酶的校对功能，提高DNA复制的保真性原核生物中的DNA聚合酶(大肠杆菌）

α

β

γ

δ

ε定位细胞核细胞核线粒体细胞核细胞核3’-5’外切--+++酶活性功能引物合成修复作用线粒体DNA的复制核DNA的复制？真核生物中的DNA聚合酶复习:描述原核生物DNA的三级结构?绝大多数原核生物的DNA都是共价封闭的环状双螺旋。如果再进一步盘绕则形成麻花状的超螺旋三级结构。

DNA超螺旋的生物学意义?

B-DNA是一种热力学上稳定的结构，超螺旋的引入就提高了它的能量水平。

DNA特定区域中超螺旋的增加有助于DNA的结构转化。

它推动着结构的转化以满足功能上的需要。什么是DNA的半保留复制?沃森-克里克根据DNA的双螺旋模型提出的DNA复制方式。DNA在复制时首先两条链之间的氢键断裂，两条链分开，然后以每一条链分别做模板各自合成一条新的DNA链，这样新合成的子代DNA分子中一条链来自亲代DNA，另一条链是新合成的，这种复制方式为半保留复制

单链结合蛋白(SSB)的作用?

能与解开的单链DNA结合，使其不再度螺旋化，保持单链结构。

引物酶(primase)?

它是一种特殊的RNA聚合酶，可催化短片段RNA的合成。这种短RNA片段一般十几个至数十个核苷酸不等，它们在DNA复制起始处做为引物。DNA聚合酶的共同特性?①酶的作用需要DNA模板，因此这类酶又称为依赖DNA的DNA聚合酶(DDDP)。②需要RNA或DNA做为引物(primer)，即DNA聚合酶不能从头催化DNA的起始。③催化dNTP加到引物的3′-OH末端，因而DNA合成的方向是5′→3′。④三种DNA聚合酶都属于多功能酶，它们在DNA复制和修复过程的不同阶段发挥作用。

⑦

DNA连接酶（1967年发现）：若双链DNA中一条链有切口，一端是3’-OH，另一端是5’-磷酸基，连接酶可催化这两端形成磷酸二酯键，而使切口连接。但是它不能将两条游离的DNA单链连接起来DNA连接酶在DNA复制、损伤修复、重组等过程中起重要作用3‘5‘3‘5‘OHP上海生化所1998年分子遗传学试题：拓扑异构酶（三）DNA的复制过程（大肠杆菌为例）P38双链的解开RNA引物的合成DNA链的延伸切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段1、双链的解开

DNA的复制有特定的起始位点，叫做复制原点。ori(或o）、富含A、T的区段。基本概念：

上海生化所1998年分子遗传学试题：真核生物复制起始点的特征包括（）A富含GC区B富含AT区CZDNAD无明显特征

DNA复制的起始点原核生物的整个染色体上一般只有一个复制起始位点。真核生物中，DNA的复制是从许多起始点同时开始的，所以每个DNA分子上有许多个复制子。DNA复制起始点有结构上的特殊性。真核生物酵母中有专一性的复制原点，称为自主复制序列（ARS）例如：大肠杆菌染色体DNA复制起始点OriC由245个核苷酸组成，含有2个系列重复序列，该序列在所有细菌复制起始位点中都是保守的。从复制原点到终点，组成一个复制单位，叫复制子复制时，解链酶等先将DNA的一段双链解开，形成复制点，这个复制点的形状象一个叉子，故称为复制叉复制叉复制叉复制方向和速度：

单起点、双向等速多起点、双向等速DNA子链的延伸主要包括两个不同但相互有联系的事件，即前导链和滞后链的合成。由拓朴异构酶消除DNA链上的超螺旋，由DNAhelicase解开双螺旋，SSB结合使DNA单链稳定。前导链的合成：由DnaG（primase）在复制起始位点附近合成一个10-60nt的RNA引物，然后由polⅢ把dNTP加到该引物上。滞后链的合成：产生Okazakifragments，消除RNA引物并由DNApolI补上这一小段DNA序列，由DNALigase把两个片段相连。DNA的半不连续复制DNA复制时其中一条子链的合成是连续的，而另一条子链的合成是不连续的，故称半不连续复制。在DNA复制时，合成方向与复制叉移动的方向一致并连续合成的链为前导链；合成方向与复制叉移动的方向相反，形成许多不连续的片段，最后再连成一条完整的DNA链为滞后链(随从链、后随链）。在DNA复制过程中，前导链能连续合成，而滞后链只能是断续的合成53的多个短片段，这些不连续的小片段称为冈崎片段。DNA链的终止不需特定信号和特殊蛋白的参与基因组DNA复制时，先导链的引物是DNA，后随链的引物是RNA(-)

2002年上海生化与细胞所华中科技大学2004年生物化学与分子生物学硕士研究生入学试题名词解释：冈崎片段（3分）武汉大学2003年硕士研究生入学分子生物学试题：Replicon、

semi-conservativereplication

华中科技大学2004年生物化学与分子生物学硕士研究生入学试题原核DNA合成酶中（）的主要功能是合成前导链和冈崎片段A、DNA聚合酶ⅠB、DNA聚合酶ⅡC、DNA聚合酶ⅢD、引物酶4、切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段（复制终止）在DNA聚合酶Ⅰ催化下切除RNA引物；留下的空隙由DNA聚合酶Ⅰ催化合成一段DNA填补上；在DNA连接酶作用下，连接相邻的DNA链。DNA复制的忠实性（1）DNA聚合酶I和III的3’-5’外切酶活性，可降解DNA，保证了DNA复制的准确性。（2）DNA聚合酶只能从引物的3’端延伸链，也增加了复制的精确性。（3）后随链上的DNA合成是不连续的。这也有利于忠实复制。（四）DNA复制的方式双链环状DNA:θ型复制、滚环型、D-环型滚环复制噬菌体X174环状DNA可以通过滚环式复制产生多单元单链DNA（1）模板链和新合成的链分开;（2）不需RNA引物，在正链3’

-OH上延伸（3）只有一个复制叉;

特点：首先在动物线粒体中发现，双链环在固定点解开进行复制。两条链的合成高度不对称。D环复制模型（五）真核生物中DNA的复制特点1、真核生物每条染色体上有多个复制起点，多复制子2、真核生物染色体在全部复制完之前,各个起始点不再重新开始DNA复制；（而在快速生长的原核生物中，复制起点可以连续开始新的复制(多复制叉)）。真核生物快速生长时，往往采用更多的复制起点。3、真核生物有多种DNA聚合酶。四、DNA的修复(DNArepairing)

DNA修复是细胞对DNA受损伤后的一种反应，但有时并非能完全消除DNA的损伤，只是使细胞能够耐受这DNA的损伤而能继续生存。

DNA损伤来源1、碱基的脱落（酸和热）2、碱基或核苷的改变（电离辐射和烷化剂等）3、错误碱基4、碱基的缺失或插入5、嘧啶碱基的二聚化6、链的断裂（化学试剂或电离辐射）7、DNA链的交联大肠杆菌中DNA的修复系统DNA修复系统功能错配修复(mismatchrepair)恢复错配切除修复(碱基、核苷酸切除修复)切除突变的碱基和核苷酸片段重组修复(recombinantrepair)

复制后的修复，重新启动停滞的复制叉DNA直接修复(directrepair)修复嘧啶二体或甲基化DNASOS系统DNA的修复，导致变异

扼要说明细胞中DNA修复系统有哪几种（8分）中国科学院2002年硕士学位研究生入学分子遗传学试题1、错配修复错配修复对DNA复制忠实性的贡献力达102-103，DNA子链中的错配几乎完全能被修正。根据母链甲基化原则找出错配碱基的示意图a.发现碱基错配。b.在水解ATP的作用下，MutS,MutL与碱基错配位点的DNA双链相结合。c.MutS-MutL在DNA双链上移动，发现甲基化DNA后由MutH切开非甲基化的子链。该系统识别母链的依据来自Dam甲基化酶，它能使位于5’GATC序列中腺苷酸的N6位甲基化。一旦复制叉通过复制起始位点，母链就会在开始DNA合成前的几秒种至几分钟内被甲基化。2、切除修复

碱基切除修复：DNA碱基修复机制的一种。受损DNA通过不同酶的作用切除错误碱基后，通过一系列酶的作用进行正确填补而恢复功能。

内容：研究发现，所有细胞中都带有不同类型、能识别受损核酸位点的糖苷水解酶，它能够特异性切除受损核苷酸上的N-β-糖苷键，在DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶位点，统称为AP位点。DNA分子中一旦产生了AP位点，内切酶就会把受损核苷酸的糖苷-磷酸键切开，移去AP位点附近小片段DNA，并由DNA聚合酶I和DNA连接酶共同完成修复。核苷酸切除修复

当DNA链上相应位置的核苷酸发生损伤，导致双链之间无法形成氢键，则由核苷酸切除修复系统负责修复。1）通过特异的核酸内切酶识别损伤部位2）由酶的复合物在损伤部位的两边切除几个核苷酸3）DNA聚合酶以母链为模板复制合成新子链4）DNA连接酶将切口补平损伤发生后，首先由酶的复合物在已损伤的核苷酸5’和3’位分别切开磷酸糖苷键，产生并移去DNA小片段，然后由DNA聚合酶合成新片段，并由DNA连接酶完成修复中的最后步骤。3、重组修复

(recombinantrepair)重组修复又被称为“复制后修复”，它发生在复制之后。机体细胞对在复制起始时尚未修复的DNA损伤部位可以先复制再修复，即先跳过该损伤部位，在新合成链中留下一个对应于损伤序列的缺口，该缺口由DNA重组来修复：先从同源DNA母链上将相应核苷酸序列片段移至子链缺口处，然后再用新合成的序列补上母链空缺。4、

DNA的直接修复

(directrepair）

生物体内还存在DNA损伤直接修复而并不需要切除碱基或核苷酸的机制。直接修复是把受损伤的碱基恢复到原来状态的过程。

DNA光解酶的作用在DNA光解酶的作用下将环丁烷胸腺嘧啶二体和6-4光化物还原成为单体O6-甲基转移酶使O6甲基化鸟嘌呤恢复成鸟嘌呤

此外，生物体内还广泛存在着使O6-甲基鸟嘌呤脱甲基化的甲基转移酶，以防止形成G-T配对。5、SOS反应（SOSresponse）

SOS反应是细胞DNA受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，细胞为求生存而产生的一种应急措施。SOS反应包括诱导DNA损伤修复、诱变效应、细胞分裂的抑制以及溶原性细菌释放噬菌体等，细胞癌变也与SOS反应有关。SOS反应广泛存在于原核和真核生物中，主要包括两个方面：①DNA的修复，利于细胞的存活，具有重要意义；②产生变异，可能产生不利的后果，如导致细胞的癌变。小结DNA是携带遗传信息的载体，细胞分裂前，通过DNA的复制作用，遗传信息从亲代DNA分子传递到子代DNA分子中。DNA复制时，是从一个特定的起始点开始的，两条DNA链分别作模板，在DNA聚合酶等许多酶和蛋白质因子的参与下，以四种脱氧单核苷酸dNTP为原料，依据碱基互补的原则合成新的DNA分子。合成方向为5’3’。→经过复制后DNA分子中，一条链来自亲代DNA，另一条链是新合成的，这种复制方式称为半保留复制；由于DNA复制时，两条链分别作模板，有一条链是连续合成的，这条链称为前导链；而另一条链合成时，只能以5’3’先合成冈崎片段，然后利用DNA连接酶将各个片段连接起来形成随从链，所以，DNA的复制是半不连续合成。DNA复制时，先由拓扑异构酶作用于DNA双螺旋分子，使之松弛，然后由DNA解链酶作用，解开双链。→在DNApolIII的聚合作用下连续地合成前导链；随从链的合成依靠多种酶与蛋白质因子的参与：首先在引发酶的作用下合成RNA引物，然后在DNApolIII的聚合作用下合成DNA片段，它们共同形成冈崎片段。RNA引物是靠DNA聚合酶I进行切割的，并由DNA聚合酶I填补RNA引物切除后留下的空隙，最后由DNA连接酶形成一条完整的链。DNA复制的准确性很高，在原核生物中主要依靠DNA聚合酶I的外切活性来校正复制过程中的碱基错配，而真核生物则依靠DNA聚合酶来完成。在真核生物中，DNA复制一般有多个起始点，主要依靠DNA聚合酶和来完成，另外还需要多种蛋白质因子参与。DNA复制的调控（自学/了解）复习:拓扑异构酶通过在DNA上形成缺口

超螺旋结构。松弛真核生物中主要有五种DNA聚合酶，它们是①

α；②

β；③

γ；④

δ；⑤

ε；真核DNA聚合酶

和

显示

3'→5'外切核酸酶活性。δε使DNA超螺旋结构松驰的酶是（）。A．引发酶B．解旋酶C．拓扑异构酶D．端粒酶E．连接酶

答案:CDNA复制具有那些特点?⒈复制是半保留的。⒉原核生物一般只有一个复制原点，真核生物有多个复制原点。⒊复制可单向进行，也可双向进行，后者更为常见。⒋复制是半不连续的，两条链都是以5‵→3‵方向合成，其中，前导链是连续合成的，随从链(滞后链)是不连续合成的，即先合成短的冈崎片段，再连接成随从链。⒌复制开始时需要一段引物RNA

，在复制进行到一定程度后被切除，并以一段DNA代替。⒍复制具有严格的保证复制准确性的机制。在复制过程中，有多种酶和蛋白质参与，可能就是保证复制准确性所必需的，DNA聚合酶的校正作用，也可能是保证复制准确性的数种途径之一。如何保证DNA复制的忠实性?（1）DNA聚合酶I和III的3’-5’外切酶活性，可降解DNA，保证了DNA复制的准确性。（2）DNA聚合酶只能从引物的3’端延伸链，也增加了复制的精确性。（3）后随链上的DNA合成是不连续的。这也有利于忠实复制。DNA损伤来源?1、碱基的脱落（酸和热）2、碱基或核苷的改变（电离辐射和烷化剂等）3、错误碱基4、碱基的缺失或插入5、嘧啶碱基的二聚化6、链的断裂（化学试剂或电离辐射）7、DNA链的交联描述错配修复的过程?Dam甲基化酶，使位于母链5’GATC序列中腺苷酸的N6位甲基化，即母链是甲基化的，在开始复制的几分钟里，子链是没有甲基化的，作为子链修正的依据。当子链中有错配碱基时，修复系统在对应母链甲基化腺苷酸的上游鸟苷酸5’位置切开子链并在切口处启动修复系统合成子链。

DNA大多数自发变化都会通过称之为

DNA修复

的作用很快被校正。仅在极少情况下，DNA将变化的部分保留下来导致永久的序列变化，称为

突变

。

DNA修复包括三个步骤：

DNA修复核酸酶

对DNA链上不正常碱基的识别与切除，

DNA聚合酶

对已切除区域的重新合成，

DNA连接酶

对剩下切口的修补。

细菌的错配修复机制可以识别复制时新旧DNA链之间错误配对的碱基，这是因为（）。A．新DNA链含有错误的碱基B．旧DNA链更倾向于含有错误碱基C．旧DNA链在特殊位点含有甲基化基团D．新DNA链在特殊位点含有甲基化基E．DNA聚合酶与新链结合答案：C五、DNA的转座（一）基本概念：DNA的转座：或称移位，由可移位因子介导的遗传物质重排现象。转座子（transposon，Tn）：存在于染色体DNA上可自主复制和位移的基本单位。

1951年，通过对玉米籽粒色斑不稳定遗传现象研究，B.McClintock(美)首次提出转座子的概念。转座的生物学意义?能说明在细菌中发现的许多基因缺失或倒转现象。常被用于构建新的突变体。（二）转座子的类型和结构特征1.原核生物转座子的类型：1、插入序列(insertionalsequence,IS)2、复合转座子(compositetransposon)3、TnA家族插入序列（insertionalsequence,IS）P57

1.最简单的转座子,不含有任何宿主基因。

2.是很小的DNA片段(约1kb)，末端具有倒置重复序列。

3.转座时常复制宿主靶位点4～15bp的DNA形成正向重复区。

4.大部分IS序列只有一个开放读码框。

5.是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分。IS序列的结构特征比较

长度（bp）两端倒置重复区（bp）靶位点正向重复区（bp）靶位点IS1768239随机IS21327415有热点IS414281811或12AAAN20TTTIS51195164有热点IS10R1329229NGCTNAGCNIS50R153199有热点IS9031057189未知1.是一类带有某些抗药性基因(或其他宿主基因)的转座子2.两翼往往是两个相同或高度同源的IS序列。3.IS序列不能再单独移动，只能作为复合体移动。复合式转座子（compositetransposon）1.没有IS序列的、体积庞大(5000bp以上)的转座子。2.常带有3个基因，一个编码β-内酰胺酶(AmpR)，另两个则是转座作用所必须的。3.所有TnA类转座子两翼都带有38bp的倒置重复序列。TnA家族转座子TnA的结构示意图

2、转座作用的机制P62

转座发生时，受体分子中有一段很短的（3～12bp）被称为靶序列的DNA会被复制，使插入的转座子位于两个重复的靶序列之间。转座酶既能识别转座子的两端，也能与靶位点序列结合。

（1）复制性转座（2）非复制性转座

复制性转座(ReplicativeTransposition)A.整个转座子被复制，所移动的仅仅是原转座子的拷贝。B.转座酶(transposase)和解离酶(resolvase)分别作用于原始及复制转座子。C.TnA类主要是这种形式A.原始转座子作为一个可移动的实体直接被移位。B.IS序列、Mu及Tn5等都以这种方式进行转座。

非复制性转座(NonreplicativeTransposition)3、转座子的遗传效应P63（1）转座引起插入突变,导致结构基因失活。

（2）插入位置出现新的基因。（3）引起染色体的畸变。（4）引起生物进化，使相距很远的基因组合到一起产生具有新的功能的基因或蛋白质分子。A.玉米中的转座子－Ac-Ds体系B.果蝇中的转座子－P转座子(Pelement)4、真核生物中的转座子玉米中的控制元件-

转座子

(1)自主性元件:具有自主剪接和转座的功能。(2)非自主性元件:单独存在时是稳定的，不能转座，当基因组中存在与非自主性因子同家族的自主性因子时，它才具备转座功能。

Ds-Ac系统C

代表颜色,决定玉米糊粉层红和紫色的发生。抑制因子（inhibitor,I)，后改称为解离因子

(dissociator,Ds),它抑制C基因的作用。I基因（Ds）和C都在玉米的第九对染色体上，且两者的座位很近。激活因子(activator,Ac),能够控制Ds因子。C与I基因(Ds)之间易发生断裂，使I基因(Ds)转座到原来染色体的其他部位或别的染色体上，于是C恢复活性表现有色。如果I基因（Ds）停留在原来的座位，并未发生断裂和转座，那么玉米籽粒为无色。

为什么Ds既能停留在原位，对C基因起着抑制作用，又能在玉米籽粒发育的不同阶段发生断裂和转座呢？Ds的作用还受到激活因子Ac的控制Ac和Ds在不同的染色体上没有Ac的情况下籽粒为无色，但当Ac从1个增加到2或3个时，籽粒上带色斑点反而减少了。说明Ac的增加推迟了Ds因子的解离和转座。Ds和Ac都可以转座：Ac的作用是自主的，而Ds的行为却依赖于Ac的作用。玉米控制因子(Ac/Ds)的功能:1.在结构和功能上与细菌转座子是相似的2.可能引起染色体结构的许多变化3.可能引起单个玉米颗粒的表型发生许多变化4.在植物发育期间的不同时间都有活性果蝇中的转座子－P转座子(Pelement)属于非复制型。P转座子两翼都有31bp倒置重复序列，转座后导致靶DNA复制产生8bp正向重复序列。有实验证明，

P转座子插入果蝇基因组W位点引起杂种不育。P转座子的活化具组织特异性：只在生殖细胞中被活化，但在生殖细胞和体细胞组中均被转录。复习:什么是转座子?转座子（transposon,Tn）是存在于染色体DNA上可自主复制和位移的基本单位。自主元件?具有自主剪接和转座的功能。在任何基因座，它的插入产生一个不稳定的或易变的等位基因。非自主元件?单独存在时是稳定的，不能转座，当基因组中存在与非自主性因子同家族的自主性因子时，它才具备转座功能。因为自主元件能为非自主元件的转座提供反式作用蛋白（蛋白酶）。

转座元件（因子）是指能

移动

到基因组其他位置的DNA序列。转座元件在以下方面影响基因组：能够引起基因的

重排

，通过插入能够

灭活

基因，转座元件的启动子能够影响邻近基因的表达。

最简单的转座元件是IS元件。IS元件由两段短的

反向

重复序列和一段夹在重复序列之间的负责转座的

转座酶

基因组成。当整合到新位点后，转座元件总是在靶位点产生一段

同向

重复序列。

复合

转座子由两个IS元件与夹在中间的

抗生素

抗性基因组成。有些转座元件的移动是通过

复制

转座的方式，即在转座过程中在原位点保留一份转座元件的拷贝。

IS元件整合到靶位点时会发生什么？答：转座子插入前产生交错缺口，插入后填补导致靶位点序列重复。一个复合转座子和一个IS元件之间的关系是什么？答：复合转座子在两个末端有IS序列。列出一个转座子插入到一个新位点所要求的步骤?答（1）在靶位点产生缺口；（2）切除转座子；（3）转座子与靶位点连接；（4）填补插入位点两端的单链区。

作业1、简述由DNA到染色体的结构变化。2、论述DNA二级结构的主要内容。3、DNA复制有哪些特点?4、