十三章-DNA的生物合成-复制

1

Chap.13BiosynthesisofDNA

2生物机体的遗传特征以Code形式编码在DNA分子上，表现为特定核苷酸排列顺序，并通过DNA复制把遗传信息传递给子代。

第一节概述3

Replication：以原DNA分子为templete，合成相同的DNA分子的过程。

Transcription：以原DNA分子为templete，合成与DNAtemplete核苷酸顺序相对应的RNA分子的过程。

Translation：在mRNA指导下，按“TripletCode”规则，合成特定Aa顺序的Pro的过程。

ReverseTranscription?4生物体内DNA的合成主要包括三方面细胞周期的S期进行的DNA复制DNA的损伤修复某些病毒中存在的以RNA为模板的DNA合成5第二节参与DNA复制的酶DNA的复制是一个十分复杂而精确的过程，涉及多种酶和蛋白因子，如：DNA聚合酶DNA连接酶引物酶解旋酶拓扑异构酶单链结合蛋白等6一、DNA聚合酶此酶最早在大肠杆菌中发现，以后陆续在细菌、植物和哺乳动物中找到。这类酶的共同性质是：[1]以脱氧核苷三磷酸(dNTP)为底物合成DNA；[2]需要模板和引物的存在；因为聚合作用必须以DNA作模板，因此又称为依赖于DNA的DNA聚合酶(DDDP)；[3]催化dNTP加到生长中的DNA链的3‘-OH末端；[4]催化DNA合成的方向是5'→3'。

78◆结构：分子球形，相对分子质量103000，由一条含Zn或Mg原子的928个氨基酸的多肽链组成。1、大肠杆菌DNA聚合酶Ⅰ

（DNApolymeraseⅠ，DNApolⅠ）

9功能I、聚合作用：在引物RNA3’-OH末端，以dNTP为底物，按模板DNA上的指令由DNApolⅠ逐个将脱氧核苷酸加上去。酶的专一性主要表现为新进入的脱氧核苷酸必须与模板DNA配对时才有催化作用。dNTP进入结合位点后，可能使酶的构象发生变化，促进3’-OH与5’-PO4结合生成磷酸二酯键。10II、3'→5'外切酶活性──校对作用

3’-5’外切酶活性与聚合酶紧密结合，当聚合出现错配碱基时，聚合反应立即停止，生长链的3’末端核苷酸落入3’-5’外切酶位点，错配核苷酸被迅速除去，聚合反应继续进行。11DNA聚合酶的3’-5’外切酶活性只作用于单链DNA的3’末端，而对双链DNA无作用。此作用被认为有校对功能，能够纠正聚合过程中的错配。因此，DNA复制过程中碱基配对受到双重核对：聚合酶的选择作用和3’-5’外切酶的校对功能。12III、5'→3'外切酶活性──切除修复作用

DNA聚合酶I的5‘→3’外切酶活性作用于双链DNA的碱基配对部分，从5’末端水解下核苷酸或寡核苷酸。因此在切除由紫外线照射而形成的嘧啶二聚体中起重要作用，也可切除半不连续合成中冈崎片段的5’末端引物。13DNA聚合酶I的功能——主要参与修复14经过枯草杆菌蛋白酶处理后，大肠杆菌DNA聚合酶Ⅰ分裂成两个片段，大片段分子量为68KD，通常称为Klenow片段，具有聚合酶和3’-5’

外切酶活性。小片段的分子量为35KD，具有5’-3’外切酶活性。1516

聚合酶II主要作用为修复损伤，该酶的最适模板是双链DNA而中间有空隙（gap）的单链DNA部分，而且该单链空隙部分不长于100个核苷酸。对于较长的单链DNA模板区该酶的聚合活性很低。无5´→3´外切酶活力，有3´→5´外切酶活力，但活力低。

2、大肠杆菌DNAPolymeraseII17

3、大肠杆菌DNAPolymeraseIII聚合酶III:由10种亚基（αβγδδ′εθτχψ）组成不对称异源二聚体。α、ε、θ亚基组成全酶的核心酶

γ2、δ、δ’、χ、ψ组成γ－复合物

18α亚基：5’→3’聚合酶活性ε亚基：3’→5’外切酶活性和碱基选择功能，是复制保真性所必需θ亚基：可能起组装作用β亚基：夹稳模板链并使酶沿模板链滑动τ亚基：促使核心酶二聚化γ－复合物（γ、δ、

δ’、χ、ψ）：促进全酶组装至模板及增强核心酶活性19大肠杆菌DNAPolymeraseIII20对模板的要求与DNA聚合酶Ⅱ相同，最适模板也是双链DNA中间有空隙的单链DNA，单链结合蛋白可以提高该酶催化单链DNA模板的DNA聚合作用。无5´→3´外切酶活力，有聚合酶和3´→5´外切酶活力，且活力强，是聚合酶I的15倍，聚合酶II的300倍。是大肠杆菌负责合成DNA的复制酶21三种大肠杆菌聚合酶的比较DNA聚合酶I、II、III的共同点：需要模板指导，以四种脱氧核糖核苷三磷酸作底物，需要有3’-OH的引物链存在，聚合反应按5’-3’方向进行。三者都具有3’-5’外切酶活性，但DNA聚合酶I还具有5’-3’外切酶活性。DNA聚合酶II和DNA聚合酶III为多亚基酶，而DNA聚合酶I为单链酶。22DNA聚合酶I作用于有大段单链区的双链DNA，甚至是带有很短引物的单链DNA。但DNA聚合酶II和DNA聚合酶III宜作用于带有小段缺口的双链DNA。故PolymeraseIIIisreplicase（复制酶）PolymeraseIisarepairase（修复酶）

23二、DNALigases（DNA连接酶）一种封闭DNA链上缺口的酶，借助ATP或NAD水解提供的能量催化DNA链的5'-PO4与另一DNA链的3'-OH生成磷酸二酯键。但这两条链必须是与同一条互补链配对结合的(T4DNA连接酶除外)，而且必须是两条紧邻DNA链才能被DNA连接酶催化成磷酸二酯键。

24

DNA连接酶（DNAligase）ATPAMP+PPi或或NADNMN+AMPDNAligase25DNAligase的用途

Example:joiningtwoOkazakifragmentstogether.LaggingStrandOkazakiFragment2

DNAligaseOkazakiFragment15’5’3’3’26三、与DNA复制起始有关的酶及蛋白因子大肠杆菌的复制起始位点（oriC）:由245个bp构成，关键序列为两组短的重复：三次重复的13个碱基对组成的片段和4次重复的9个碱基对组成的片段27至少有9种不同的酶和蛋白质参与复制的起始阶段。DnaA蛋白：识别起始点序列，在起始点特异部位解开双链DnaB蛋白（解旋酶）：使DNA解旋DnaC蛋白：辅助DnaB蛋白结合到解旋区域类组蛋白HU：使DNA弯曲，刺激复制的引发28Unwindingpr（SSB，单链结合蛋白）：解旋酶沿复制叉方向向前推进产生了一段单链区，但是这种单链DNA不会长久存在，会很快重新配对形成双链DNA或被核酸酶降解。然而，在细胞内有大量单链DNA结合蛋白能很快地和单链DNA结合，防止其重新配对形成双链DNA或被核酸酶降解。29SSB与解螺旋酶不一样，它不具备酶的活性，不和ATP结合。一个SSB结合于单链DNA上可以促进其他SSB与相邻的单链DNA结合，这个过程称为协同结合（cooperativebinding），

SSB结合到单链DNA上后，使其呈伸展状态，没有弯曲和结节，有利于单链DNA作为模板。SSB可以重复使用，当新生的DNA链合成到某一位置时，该处的SSB便会脱落，并被重复利用。30DNA旋转酶（拓扑异构酶II）

（DNATopisomerase）

消除由DnaB解旋酶催化DNA解旋而产生的拓扑张力。DNA每复制10bp，复制叉前方的模板DNA双螺旋就要绕其长轴旋转1周，产生正超螺旋，拓扑异构酶可以消除正超螺旋，使复制叉能够顺利前进。31催化合成引物：在大肠杆菌中引物酶为dnaG蛋白。这些引物酶有的存在于宿主细胞内，有的则是病毒本身基因编码的蛋白质，由它们结合其他蛋白因子共同组装成引发体开始DNA的复制。Primase（引物酶）3233341、定义：双链DNA拆开成为2条链，每条链分别作为模板按碱基互补原则，形成两个与亲代DNA（旧链）完全相同的子一代DNA分子（新的DNA)，子代DNA中一条链来自亲代DNA，一条为新合成的，这样的复制方式称为半保留复制。

一、半保留复制

Semiconservativereplication第三节DNA复制的两大特点35Replication

Semi-conservativemechanism362、DNA半保留复制的证据373、DNA的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，是保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代的必要措施。DNA在代谢上的稳定性并非指DNA是一种惰性物质。38

假如DNA两条链都作为模板同时复制，但两条链却是反向平行的，另外，所有聚合酶都只能5'→3'方向复制，为解决这一矛盾，日本岗崎（Okazaki）提出不连续复制模型。

二、半不连续复制与岗崎片段

（OkazakiFragment）39后来许多实验证实：3‘→5’

走向链实际上是由5‘→3’方向合成的许多DNA片段（称为冈崎片段）连接起来的，而5´→3´走向链是连续合成，不形成岗崎片段，故称半不连续复制。

4041第四节、DNA的复制过程DNA复制的起始DNA链的延伸DNA复制的终止

42一、复制的起始DNA复制的起始包括：对起点的识别模板DNA超螺旋及双螺旋的解除引物的合成等统称为引发（priming）431、辨认起点：复制是从DNA分子上的特定部位开始的，这一部位叫做复制起始点(originofreplication)常用ori或O表示。关键序列：两组短的重复序列

3个13bp的序列

4个9bp的序列OriC,thereplicationoriginofE.coliChromosome,containsthreerepeatsOf13bpandfourrepeatsof9bp.44i.一个包含20个DnaA蛋白分子的专一复合物结合到由9个碱基对组成的4次重复区域，DNA缠绕在该复合物上。ii.由13个碱基对组成的3次重复区域依次发生变性（两条链分离）。iii.在DnaC蛋白的协助下，DnaB蛋白的六聚体结合到每条DNA链上，DnaB解旋酶活化，进一步使DNA解旋，为DNA合成作准备。45引发前体的形成TTATCCACAGATCTNTTNTTTT462、模板DNA解除高级结构：DnaB蛋白借助水解ATP产生的能量在DnaC蛋白协助下沿DNA链5’→3’方向移动，解开双螺旋。DNA双链解开还需要拓扑异构酶解除拓扑张力；同时需要SSB维持单链模板稳定。4748复制叉结构：在体内，双链DNA并非一次性全部解链，而往往只解开一段。其形状似叉子，故称复制叉（Replicationfork）49DnaB蛋白和DnaA、DnaC蛋白，还有其他复制因子，一起形成复合体，结合引物酶，形成较大的聚合体，再结合到模板DNA上，这种复合物称为引发体。此时，引物酶可催化引物的合成，以单链DNA为模板，沿5’-3’方向合成一低聚RNA引物。注意：DNA复制是半不连续,在不连续复制的链上，引发体需多次生成。3、引物RNA的生成50先导链滞后链51

DNA复制从起始点开始直到终点为止，每个这样的DNA单位称为复制子或复制单元(replicon)。在原核细胞中，每个DNA分子只有一个复制起始点，因而只有一个复制子。在真核生物中，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。52Bubblesform单个复制子53BubbleVisualization多个复制子54二、新链的延伸DNA的复制实际上就是以DNA为模板在DNA聚合酶作用下，将游离的四种脱氧单核苷酸dNTP逐个加入而延长DNA新链，其化学反应本质是生成磷酸二酯键。催化此反应的酶：原核生物：DNA-polⅢ真核生物：聚合酶

;55在形成双螺旋结构时，DNA双链的走向是相反的。复制起始时，母链即已解开，两股单链都是模板，但两股单链在复制叉上走向是相反的。复制，包括引物合成，只能从5’向3’延伸，而在同一复制叉上，解链的方向只可能有一个。复制方向与解链方向不一致，是不连续复制的成因。56顺着解链方向而生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链（leadingstrand）。1、领头链连续复制572、随从链的不连续复制复制的方向与解链方向相反生成的子链称为随从链（laggingstrand）。随从链的复制必须等待模板链解开至足够长度，才能从5’→3’方向生成引物然后复制。随从链在延长时，又要等到下一段暴露出足够长度的模板，再次生成引物而延长,这就是不连续复制。58LeadingandLaggingStrandsRNA引物的位置未表示出来复制叉不连续合成连续合成复制总方向前导链：在引物的3´端按5´→3´方向连续不断地合成的DNA链。后随链：在引物的3´端按5´→3´方向不连续合成的DNA链。冈崎片段：后随链上不连续合成的DNA短片段（不包括引物）

59三、复制的终止水解引物及填补空隙:冈崎片段合成后，由DNApolⅠ切除RNA引物（5‘

3’

外切酶活性），并填补留下的空隙(5‘

3’聚合酶活性)。完整双链DNA分子的形成:填补空隙后，DNA片段与片段之间还有一个缺口(一个3',5'-磷酸二酯键的长度),由DNA连接酶催化连接成完整的链，从而产生完整的双链DNA分子。60原核生物基因是环状DNA，双向复制的复制片段在复制的终止区(ter)汇合，该区含有多个约23bp的终止子位点。终止区可以结合一种特异的蛋白质分子叫做Tus，这个蛋白质可能是通过阻止解链酶(Helicase)的解链活性而终止复制的。详细的机制还不完全清楚。6162

1．由解旋Pr使DNA双链在特定点解开，形成复制叉。

2．在单链模板的起始点上，由引物酶合成小段RNA。

3．先导链以此RNA为引物，在聚合酶作用下连续合成完整的DNA链。

四、DNA生物合成过程总结63

4．滞后链以RNA为引物，由DNA聚合酶III催化，按5´

3´方向合成多个DNA片段（冈崎片段）直至另一RNA引物的5’末端。

5．在聚合酶I的5´

3´外切酶功能作用下，水解去除RNA引物。出现的缺口由酶I来延长、填补(原核)。

6．最后由DNA连接酶连接缺刻（nick）而成长链DNA。

64

7．在复制叉处的复制过程往往是双向，多次发动（不同于真核的多点）进行的，链合成方向为5´

3´。

8．如错配，酶I、III的3’

5’外切功能皆可外切修复。

互补、外切称为双重校对。65DNA复制的精确性（高保真复制）

为了保证遗传的稳定，DNA的复制必须具有高保真性。DNA复制时的保真性主要与下列因素有关：1、碱基的配对规律：模板链与新生链之间的碱基配对保证碱基配错几率约为1/104～1/105。

2、DNA聚合酶的3’→5’外切酶活性的校对功能：使碱基的错配几率又降低100～1000倍。

3、DNA的损伤修复系统66五、DNA复制的方式DNA的复制形式多种多样，原核生物的染色体和质粒，真核生物的细胞器DNA等环状双链分子，从一个起点开始双向复制，一个复制子形成两个复制叉，质粒的单向复制以及对称复制和不对称复制，病毒DNA分子的滚环复制等。671、原核生物的"θ"型复制环状DNA的复制可以从复制起点开始，双向或单向同时进行，形成θ样中间物，故又称"θ"型复制，最后两个复制方向相遇而终止复制。682、滚环复制噬菌体φX174是单链环状DNA，当侵入寄主后，侵入的单链DNA称为正链DNA。在复制开始时，以正链DNA为模板利用寄主细胞的DNA聚合酶复制出与之互补的负链DNA，形成共价闭环的双链分子（复制型）。6970正链DNA在特定位置被自身编码的A蛋白切开，游离出3‘-OH末端作为引物。在DNA聚合酶Ⅲ的作用下，以环状负链为模板，在正链的3‘-OH端加入脱氧核苷酸，使链不断延长，通过滚动而合成新的正链。当复制向前进行时，5'端从环上向下解链的同时伴有环状双链DNA环绕其轴不断的旋转，而且以3'-OH端为引物的DNA生长链则不断地以另一条环状DNA链为模板向前延伸，因而称为滚环复制。

713、D环复制真核细胞内线粒体DNA的复制为D环复制。D环复制的特点是两条链在固定点解开进行复制，但两条链的合成高度不对称。72一条链先复制，另一条链保持单链而被取代。待一条链复制到一定程度，露出另一条链的复制起点时，另一条链才开始复制。73

真核生物基因组比原核生物复杂得多，但DNA复制的基本过程还是相似的。第五节、真核生物DNA的复制特点

真核生物中也具有几种DNA聚合酶，其聚合反应机制与原核生物的聚合一样。

74聚合酶α:主要负责染色体DNA复制过程中引物的合成；聚合酶β：可能与DNA重组修复有关；聚合酶γ：负责线粒体DNA的复制；聚合酶δ：主要负责核DNA的合成；聚合酶

：，类似大肠杆菌DNApolI，主要起校正、修复和填补缺口。哺乳动物中发现的5种DNA聚合酶7576一.与原核生物不同，真核生物DNA复制有许多起始点。例如酵母S.cerevisiae的17号染色体约有400个起始点，因此，虽然真核生物DNA复制的速度(60核苷酸/每秒钟)比原核生物DNA复制的速度(E.coli1700核苷酸/每秒钟)慢得多，但复制完全部基因组DNA也只要几分钟的时间。

77二.在真核生物DNA复制叉处，需要两种不同的酶DNA聚合酶α(polα)和DNA聚合酶δ(polδ)78DNA聚合酶α/引发酶复合物

合成RNA-DNA引物7980复制因子C（RFC）83复制蛋白A（RPA）：单链结合蛋白RPA可使双螺旋DNA进一步解旋，在一定条件下激活Polα/引发酶活性，并且为DNA聚合酶δ持续合成DNA过程中所必需的。84真核生物DNA聚合酶α/δ转换85三、FEN1和RNaseHI切除RNA引物8687参与真核生物DNA复制的酶与蛋白8889表：真核生物与原核生物DNA合成的区别区别原核生物真核生物DNA合成的时期整个细胞生长过程细胞周期的S期复制起点数单个多个RNA引物长度10-60核苷酸10核苷酸冈崎片段长度1000-2000核苷酸100-150核苷酸前导链与后随链的合成聚合酶III同时控制聚合酶α和δ控制90

四、真核生物5’末端的复制机制真核生物可由RNaseH1切除引物，DNApol

或填补空隙，并由连接酶连接成完整的新链。但5’端切除后留下的空隙如不补齐，细胞染色体DNA将面临复制一次就缩短一些的问题。91真核生物新链末端的复制

——端粒和端粒酶I、端粒（telomere）定义：是一段DNA序列和蛋白质形成的一种复合体，形态学上，染色体末端膨大成粒状，是真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。92端粒的结构特点：对多种不同生物端粒的DNA序列测定，发现其共同特点都是富含TG碱基的短序列多次重复。端粒的功能：稳定染色体末端结构；补偿滞后链5’末端在消除引物后造成的空缺。932、端粒酶（telornerase）20世纪的80年代中期发现了端粒酶，它是一种RNA-蛋白质复合物。端粒酶中的RNA序列常可与端粒区的重复序列互补并作为端粒区重复序列延长的模板。端粒酶中的蛋白质部分具有逆转录酶活性，能以其自身携带的RNA为模板逆转录合成端粒DNA。942009年诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家伊丽莎白·布莱克本、卡萝尔·格雷德和杰克·绍斯塔克，以表彰他们“发现端粒和端粒酶是如何保护染色体的”。95A、端粒DNA的3’末端和端粒酶所含的RNA分子的3’端形成碱基配对。3、端粒的合成过程96B、端粒酶利用RNA为模板，将dNTP加到端粒DNA的3’端。97C、DNA-RNA杂交链之间发生相对滑动，端粒DNA链3’端和RNA下游（3’端）形成新的碱基配对，并暴露出部分RNA模板序列。98D、重复B、C，周而复始直至足够长度。99复制终止时，染色体线性DNA末端确有可能缩短，但通过端粒的合成可以补偿这种由除去引物引起的末端缩短。因为模板DNA的3’端延长后，延长的3’端可以回折作为引物，合成其互补链。100端粒酶在保证染色体

复制的完整性上有重要意义端粒特别是端粒酶的活性与细胞的生长、繁殖、衰老凋亡以及肿瘤的发生密切相关。端粒的平均长度随细胞分裂次数的增多及年龄的增长而逐渐变短至消失，可导致染色体稳定性下降，导致细胞衰老凋亡。101端粒酶在保证染色体

复制的完整性上有重要意义体细胞几乎没有端粒酶活性，随多次细胞分裂端粒逐渐缩短，细胞失去增殖能力。而端粒酶活性较高的胚原细胞，端粒长度未缩短。肿瘤细胞端粒酶重新获得活性，以维持端粒结构致使染色体稳定而成为永生细胞。102第六节

RNA指导的DNA合成

（Reversetranscription）1031964年，H.Temin首次发现，鸟类Rous肉瘤病毒等RNA肿瘤病毒可被DNA合成抑制剂阻遏。这一发现提示，在RNA肿瘤病毒的复制过程中需要合成DNA。原病毒DNA是RNA肿瘤病毒复制与致癌过程中的中间物RNA肿瘤病毒→DNA原病毒（前病毒）→RNA肿瘤病毒1、发现104105逆转录扩大和发展了中心法则，使人们对遗传信息的流向有了新的认识。1062、定义：以RNA为模板、dNTP为原料，反转录酶催化，按照RNA中的核苷酸顺序合成DNA的过程。与通常转录过程中遗传信息流从DNA到RNA的方向相反，故称为反转录（Reversetranscription）反转录酶：又称为依赖RNA的DNA聚合酶(RNA-dependentDNApolymerase,RDDP)。

107

RNA指导的DNA合成

（Reversetranscription）108

3、性质

反应特点：

1）要求引物（通常为宿主细胞的tRNA），引物与模板互补，具有游离3′-OH2）模板（RNA病毒自身，或带有适当引物的其他RNA）

3）dNTP底物，Mg2+和Mn2+，

4）DNA链的延长方向为5′→3′109110

(SinglestrandRNA)(SinglestrandDNA)(DoublestrandDNA)

111

4、反转录酶发现的意义①对中心法则的补充和修正逆转录酶：RNA→cDNA②导致了“癌基因”发现，并使致癌的分子机制研究有了重大进展。112癌基因（oncogene）：最先在致癌病毒中发现，与原癌基因很相似或从原癌基因衍生而来。原癌基因编码生长调节蛋白。在病毒感染期间，一些原癌基因的DNA序列被病毒整合至病毒基因组。在病毒感染的某个阶段，这段基因通过截短或突变而形成缺陷型基因。在随后感染过程中被宿主细胞表达，异常的蛋白质产物干扰了细胞生长的正常调节，有时就导致癌症。113正常细胞被反转录病毒感染

反转录病毒调控生长的蛋白的基因（原癌基因）114反转录病毒将自己的基因组插入到宿主细胞染色体中，在原癌基因附近与其整合115从被感染的宿主细胞释放的病毒颗粒捕获了原癌基因含原癌基因的反转录病毒116突变产生了癌基因含有癌基因的反转录病毒侵入正常细胞转化后的细胞产生有缺陷的调控蛋白117获得性免疫缺陷综合症

（艾滋病AIDS）人类免疫缺陷病毒（HIV）：反转录病毒。HIV会杀死许多受感染细胞（主要为T淋巴细胞）而导致宿主机体免疫系统的抑制。HIV反转录酶的错误率比其他已知反转录酶更高，致使该病毒具有高突变率。118119AZT：T淋巴细胞吸收后转化为AZT三磷酸盐。HIV反转录酶与AZT三磷酸盐的亲和力比与dTTP的更强，竞争性地抑制了该酶与dTTP的结合。当AZT三磷酸盐被加入到延长链的3‘端时，由于3’羟基的缺失，链的合成被提前终止。120DNA复制产生的误差、DNA结构本身的不稳定、物理化学因素等都可引起DNA分子结构的异常改变称为DNA损伤(DNAdamage)。针对由损伤导致的缺陷而采取的补救措施称为修复（DNArepairing）。

第七节、DNA损伤及修复121一、DNA损伤的类型1、转换：同型碱基间的置换2、颠换：异型碱基的置换1221231243、插入或缺失在多核苷酸链中增加1对或几对核苷酸称为插入；丢失1个或几个核苷酸对称为缺失；两种情况都会导致遗传密码发生改变，因此也称为移码突变。1254、链内或链间发生共价连接126根据DNA分子的改变，突变可分为4类：颠换：异型碱基间变异

点突变

转换：同型碱基间变异

缺失

缺失或插入碱基

插入

则引起移码突变

链内或链间发生共价连接127二、DNA损伤的修复

DNA复制过程所发生的突变(碱基配对错误)，由核内DNA聚合酶Ⅰ以其校对功能予以纠正，但这种校正作用并不十分可靠。错配修复系统能够发现和修复这些错配的核苷酸。1281、错配修复129130大肠杆菌DNA错配修复需要：错配修复蛋白MutS、MutL

核酸内切酶MutH

解旋酶UvrD、核酸外切酶单链结合蛋白

DNA聚合酶III、DNA连接酶131甲基化导向的错配修复132

复制后的短时间内，模板链是甲基化的，而新链没有甲基化。几分钟后新链被甲基化，两条链不再有区别。在新合成链中瞬间未被甲基化的GATC序列可以被错配修复系统识别出来。133真核细胞可能借助错配修复系统中

的某些蛋白质与复制机构之间的接触真核细胞也具有多种与原核生物中的错配修复蛋白类似的蛋白因子，但错配修复的详细机制还不明确。只是人类编码这类错配修复蛋白的基因变异会导致一些最常见的遗传性易感癌综合症。134

2、利用酶简单地逆转DNA损伤

——光复活作用

这是最早发现的DNA修复方式。修复是由细菌中的DNA光解酶(photolyase)完成的，后来发现类似的修复酶广泛存在，但哺乳动物中缺乏这种酶。135此酶能特异性识别紫外线造成的核酸链上相邻嘧啶共价结合的二聚体，并与其结合，这步反应不需要光；结合后如受400nm波长的光照射，则此酶就被激活，将二聚体分解为两个正常的嘧啶单体，然后酶从DNA链上释放，DNA恢复正常结构。136大肠杆菌细胞中还存在O6-甲基鸟嘌呤DNA甲基转移酶，直接修复DNA中被甲基化修饰的鸟嘌呤（GC—AT）,将甲基转移至酶蛋白活性中心的Cys上，使鸟嘌呤复原。1373、切除修复是修复DNA损伤最为普遍的方式，对多种DNA损伤包括碱基脱落形成的无碱基位点、嘧啶二聚体、碱基烷基化、单链断裂等都能起修复作用。这种修复方式普遍存在于各种生物细胞中，也是人体细胞主要的DNA修复机制。138DNA糖苷酶损伤的碱基AP核酸内切酶DNA聚合酶IDNA连接酶碱基切除修复139核苷酸切除修复（NER）与碱基切除修复不同，核苷酸切除修复系统并不识别任何特殊的碱基损伤，而是识别由于DNA损伤造成的DNA螺旋状结构的扭曲。多亚基酶水解损伤DNA链的任意一侧的磷酸二酯键，产生一个包含12~13个核苷酸的片段（人类中为27~29个核苷酸），双重断裂后，由聚合酶填补空隙，连接酶连接切口。140核苷酸切除修复1414、重组修复上述的切除修复在切除损伤段落后是以原来正确的互补链为模板来合成新的段落而做到修复的。但在某些情况下互补链也损伤或不存在，此时利用DNA重组修复系统修复双链断裂损伤。142①受损伤的DNA链复制时，产生的子代DNA在损伤的对应部位出现缺口；143②另一条母链DNA与有缺口的子链DNA进行重组交换，母链DNA上相应的片段填补子链缺口处，而母链DNA出现缺口；③以另一条子链DNA为模板，经DNA聚合酶催化合成一新DNA片段填补母链DNA的缺口，最后由DNA连接酶连接，完成修补。144

重组修复不能完全去除损伤，损伤的DNA段落仍然保留在亲代DNA链上，只是重组修复后合成的DNA分子是不带损伤的，但经多次复制后，损伤就被“冲淡”了。1455、SOS修复DNA受到严重损伤，细胞处于危急状态时所诱导的一种DNA修复方式——SOS修复。修复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留下的错误较多，故又称为错误倾向修复(errorpronerepair)，使细胞有较高的突变率。146SOS修复机制147SOS修复由RecA蛋白和LexA阻遏物相互作用引起的。在单链DNA和ATP存在时，RecA蛋白被激活，从而促进LexA自身的蛋白水解酶活性。LexA自我分解，使一系列与修复有关的酶表达，完成空缺部位DNA的合成。这时补上去的核苷酸几乎是随机的，但仍然保持了DNA双链的完整性，使细胞得以生存。但这种修复带给细胞很高的突变率。

148本章小结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链分别做模板，在DNA聚合酶等许多酶和蛋白质分子的参与下，以dNTP为原料，按碱基配对原则合成新一代的DNA分子，合成方向是5'→3'。经过复制后的DNA分子中，一条链来自亲代DNA分子，另一条链是新合成的，这种复制方式叫做半保留复制。149由于DNA分子复制时，两条模板链的走向是相反的，而解链方向只有1个，且合成方向只能是5‘→3’，所以有一条链是连续合成的