DNA的复制和修复

第34章DNA的复制和修复一、DNA复制

（一）DNA的半保留复制亲代DNA分子每一条链各自作为模板，合成一条互补链，新合成的两条链中一条是旧链，一条为新链。

1958年MatthewMesselsonandFranklinStahl用令人信服的实验证明了DNA的半保留复制机制（15N标记实验）半保留复制的意义何在？DNA复制模型DNA半保留复制P40715N14N（二）复制的起点和方式1、复制子：基因组能独立进行复制的单位称复制子。每个复制子都有控制复制起始的起点和复制终止的终点。大肠杆菌复制有一个固定的起点，向两个方向进行——复制叉。真核生物DNA是线性双链分子，含多个复制起点，是多复制子。

2、DNA复制的几种方式：

形——原核生物直线双向形——真核生物滚环式——噬菌体

X174D型——线粒体大肠杆菌DNA的复制

复制眼形成

形结构DNA复制方式P411图34-8

形双向直线双向形滚动环D环起点起点噬菌体

X174：共价闭环（复制型）（二）DNA聚合反应的有关酶1、DNA聚合反应和聚合酶DNA聚合酶：首先在大肠杆菌发现。DNA聚合酶是DNA合成中起主要作用的酶，催化总反应：

(dNMP)n+dNTP(dNMP)n+1+ppi

DNA延伸的DNADNA聚合酶反应特点：（1）以四种dNTP为底物；（2）反应需要接受模板指导；（3）需有引物3’-OH存有（引物链）；（4）要求有镁离子存在；（5）DNA链的生长方向为5’→3’；（6）产物DNA与模板互补。DNA的模板链和生长链亲电攻击2、大肠杆菌DNA聚合酶

有5种，后两种1999年才发现。（1）DNA聚合酶I(DNAPolymeraseI、PolI)DNA聚合酶催化DNA合成的共同特点

DNA聚合酶I具有5’

3’聚合活性（低）

3’

5’外切酶活性(校阅作用)5’

3’外切酶活性（RNA引物，嘧啶二聚体的切除）（2）DNA聚合酶II(DNAPolymeraseIIPolII)DNA聚合酶II具有5’

3’聚合活性（低）

3’

5’外切酶活性(校阅作用)*修复酶DNA聚合酶I的3’5’和5’3’的外切酶活性DNA聚合酶I一条多肽上的三种酶活性（3）DNA聚合酶III(DNAPolymerasePolIII)DNA聚合酶III具有5’

3’聚合活性（高）

3’

5’外切酶活性(校阅作用)*其催化DNA的合成速度与生长速度一致，是真正的，主要的DNA复制酶。（4）DNA聚合酶IV和V：DNA严重损伤时诱导产生，涉及DNA错误倾向复制。三种DNA聚合酶的比较P416表34-2大肠杆菌DNA聚合酶III的构成全酶由10种亚基组成：

、

、

、

、’、

、

、

、

、

含有锌原子

：5’3’聚合活性

：3’5’核酸外切酶活性，具有保真作用

：起组建核心酶作用核心酶：

：促使核心酶二聚化作用

：两个亚基形成滑动夹子，提高酶的持续合成能力（’）：帮助

夹住DNA，称夹子装置器大肠杆菌PolIII全酶的结构示意图(V型)聚合活性校对功能组建核心酶每两个亚基形成滑动夹子，提高酶的持续合成能力

亚基与模板的结合

亚基形成一个围绕DNA的环状钳3、DNA连接酶DNA聚合酶只能延长，不能连接；DNA连接酶具有连接切口及粘性末端或平端功能能量来源：原核：NAD

真核：ATP（四）冈崎片段和DNA半不连续复制

1、前导链(LeadingStrand)

后随链(LaggingStrand)2、冈崎片段：约1000-2000个Nt（原核）

100-200（真核）

3、半不连续复制:DNA复制时，一条链是连续的，另一条是不连续的，其先合成一些冈崎片段，然后再连接起来构成大的DNA片段，称为半不连续复制。引物？（一小段RNA，引物合成酶）（五）DNA复制的拓扑性质1、拓扑异构酶(Topoisomerase)TopoI型：使DNA的一条链发生断裂和再连接。

TopoII型：能使DNA两条链同时断裂和再连接。可引入负超螺旋，消除复制叉前进进带来的扭曲张力，从而促进双链解开。需ATP。

TopoIII型：与I型相似，功能相似。2、解螺旋酶(Helicase)：将DNA双链解开。3、SSB蛋白(SingleStrandBindingProtein)：稳定DNA解开的单链，阻止复性和保护单链部分不被核酸酶降解。（六）DNA复制的过程（原核）大肠杆菌染色体复制的三个过程:起始延伸终止1、起始（1）大肠杆菌复制起点核苷酸序列特征：起始点称为oriC,由245个bp构成，关键在于两组短的重复：三个13bp和四个9bp

（2）DnaA蛋白是复制起始的关键蛋白：四个9bp序列为其结合位点，约20-40个DnaA结合于此，DNA缠于其上，形成起始复合物。P422图34-21

（3）DnaB在DnaC蛋白帮助下结合于解链区，沿5’→3’方向移动，解开DNA双螺旋，解链还需拓扑异构酶II和SSB帮助。DnaB还能活化引物合成酶。大肠杆菌复制起点的核苷酸序列特征13bp9bp2、延伸：两条链合成均由DNA聚合酶III催化。（1）前导链合成：先由DnaG（引物合成酶）合成一段RNA引物（10-60Nt），然后与复制叉同步，一直连续合成。（2）后随链合成：需不断合成冈崎片段的RNA引物，DNA聚合酶III不断与模板脱开，然后在新的位置又与模板结合。引发体（Primosome)：解螺旋酶，引物合成酶（DnaG

），RNA引物。3、终止：复制在终止区停止，该区含多个约22bp的终止子。DNA复制叉上的蛋白质（酶）大肠杆菌复制体结构示意图SSBRNA引物解螺旋酶冈崎片段引物合成酶前导链上DNA聚合酶滞后链上DNA聚合酶大肠杆菌复制体结构示意图

（七）真核生物DNA的复制

1、真核生物有多个复制起点。2、复制速度比原核慢，基因组比原核生大。但多个复制起点分段复制。3、5种DNA聚合酶：分别为聚合酶：

，

，

，

和

。复制由DNA聚合酶

，

共同完成，其中

有引物合成能力，

具有校正功能。DNA聚合酶

相当于原核的DNA聚合酶I，具有修复功能。P425表34-5*具有端粒酶合成DNA端粒结构二、DNA损伤修复DNA损伤原因：1、化学诱变因素

烷化剂、亚硝酸、嵌入剂2、物理诱变因素

电离辐射(UV、X射线、

射线)；链断裂、交联、环打开3、紫外照射引起嘧啶二聚体的形成修复机制：

1、错配修复：甲基化作用，核酸内、外切酶

2、直接修复：光复活(光照射激活光复活酶)3、切除修复：（1）通过N-糖苷酶：识别并切除错误碱基（2）通过核酸酶切除酶：识别切除错误核苷酸片段

4、重组修复

5、SOS修复

（一）错配修复1、DNA在复制过程中发生错配的新合成链可被纠正，存在着错配修复系统区分新旧链。2、Dam甲基化酶可使GATC序列中腺嘌呤N6位甲基化，复制后DNA在短期内（数分钟）为半甲基化的GATC，一旦发现错配碱基，即将未甲基化的链切去，并进行修复合成。3、参与错配修复的蛋白约12种多，有，核酸内切酶，核酸外切酶，解螺旋酶，SSB等。4、切除的链可长达1000个核苷酸以上，直至切去错配碱基。*甲基化作用，核酸内、外切酶甲基化与错配修复（正常情况）甲基化指导的错配修复MutS和MutL结合于错配碱基部位，沿DNA双链移动，遇到GATC序列停止。MutH结合于MutS和MutL复合体上，在未甲基化链GATC位点5’或3’端切开。由核酸外切酶切去错配碱基。甲基化指导的错配修复切开位置在错配碱基5’侧切开位置在错配碱基3’侧

（二）直接修复

1、紫外线照射使DNA分子中同一条链相邻间T和T之间形成二聚体（TT）（见下一张）（其它嘧啶二聚体少），影响双螺旋结构，阻碍复制和转录。2、其修复作用：（1）光修复：可见光照射，激活光复合酶进行修复作用（高等哺乳类无此酶）。（2）暗修复：高等动物：切除含嘧啶二聚体的核酸链，然后修复。*光照射激活光复活酶UV照射形成嘧啶（TT最常见）二聚体光修复

（三）切除修复（复制前）

1、切除修复：指在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损部分切除，并以完整的那条链为模板，填补缺口，使DNA恢复正常结构。2、损伤形式：UMP的渗入AP位点的产生烷化剂修饰碱基嘧啶二聚体产生3、切除修复过程由核酸内切酶在损伤部位一侧切开切口，再由核酸外切酶将损伤位点附近DNA切除，由DNA聚合酶I（真核为DNA聚合酶E）修复和连接酶连接。核苷酸切除酶核苷酸片段损伤DNA聚合酶I（四）重组修复（复制后修复）1、先复制，后修复。2、复制时跳过损伤部位，子代链在该部位留下缺口。3、遗传信息有缺损的DNA子链通过遗传重组加以弥补，即从同源DNA母链上将相应核苷酸序列片段移至子链缺口处，然后再合成补上母链空缺，称为重组修复。P430图34-30（五）SOS修复（应急反应）1、SOS反应是细胞DNA受到损伤或复制系统受抑制情况下，为求生存而出现的应急效应。2、SOS反应诱导的修复系统包括：（1）避免差错的修复：即诱导切除修复和重组修复中某些关键的酶和蛋白产生，加强修复能力。（2）易产生差错修复：即诱导产生缺乏校对的DNA聚合酶IV和V，其缺乏3’核酸外切酶校对功能，于是DNA链损伤部位即使出现不配对碱基，复制继续进行，增加了错配存在机会。3、SOS反应导致两个结果：DNA修复和物种变异。这时变异好或坏将会被自然选择。三、DNA突变（一）突变的类型1、碱基对的置换转换：两种嘌呤或两种嘧啶之间的互换颠换：嘌呤和嘧啶之间的互换错义突变：三联体密码子发生突变导致蛋白质中原氨基酸被另一氨基酸代替无义突变：氨基酸密码子变为终止密码子，导致翻译提前结束同义突变：三联体密码子虽发生突变，但氨基酸不变2、移码突变由于一个或多个非三倍数的核苷酸对插入或缺失，使编码区该位点后的三联体密码子阅读框架改变，导致后面的氨基酸发生变化（二）诱变剂的作用自发突变：自然条件下发生突变。诱变：在物理化学因子作用下碱基发生变化。1、碱基类似物：均引起转换5-溴尿嘧啶（BU）：T的类似物，酮式时与A配对；烯醇式时与G配对，引起A-T与G-C的转变2-氨基嘌呤（AP）：A类似物，正常状态与T配对，亚氨基状态与C配对2、碱基的修饰剂亚硝酸羟胺烷化剂3、嵌入染料吖啶橙溴化乙锭插入DNA碱基对之间，导致新合成的链发生核苷酸插入或缺失，造成移码突变4、紫外线和电离辐射习题岗崎片段复制体复制叉半保留复制暗修复有意义链1958年Meselson和Stahl利用15N标记大肠杆菌DNA的实验首先证明了下哪一种机制？（D）ADNA能被复制BDNA基因可转录为mRNACDNA基因可表达为蛋白质DDNA的半保留复制机制EDNA的全保留复制机制*DNA复制的延长过程中，会有下列现象ABCA生成磷酸二酯键B生成岗崎片段C合成RNA引物D核糖体聚合下列关于原核生物与真核生物DNA复制中错误叙述是：CA两者都需要RNA引物B两者都要合成岗崎片段C两者都有许多同时复制的起始点D两者的合成方向都是5’→3’E两者的复制都是半不连续的

习题端粒酶是属于：BA限制性内切酶BDNA聚合酶CRNA聚合酶D肽基转移酶*DNA复制酶系中的多功能酶有：C,DA.真核细胞DNA聚和酶αB.真核细胞DNA聚和酶rC.原核细胞DNA聚和酶ID.原核细胞DNA聚和酶П3*有关冈崎片段下列描写哪项是对的？（CD）A是因为DNA复制速度太快而产生B由于复制中有缠绕打结而生成C每个岗崎片段约含1000-2000个核苷酸D在滞后链中产生E复制完成后，岗崎片段被水解在DNA损伤切除修复中，有关酶的作用顺序是：(B)ADNA连接酶---DNA聚合酶----核酸内切酶---外切核酸酶B核酸内切酶----外切核酸酶----DNA聚合酶---DNA连接酶CDNA聚合酶---DNA连接酶---外切核酸酶-----核酸内切酶D核