第十章DNA的生物合成

本章重點(diǎn)介紹遺傳中心法則和DNA的半保留復(fù)制以及逆轉(zhuǎn)錄的過(guò)程和機(jī)理，對(duì)DNA的損傷和修復(fù)、突變和重組作一般介紹。

DNA是絕大多數(shù)生物體遺傳信息的載體，繼1953年Watson&Crick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型后，1958年，Crick提出了“中心法則”(Centraldogma)揭示了遺傳信息的傳遞規(guī)律。第十章DNA的生物合成本章重生物的遺傳信息以密碼的形式儲(chǔ)存在DNA分子上，表現(xiàn)為特定的核苷酸排列順序。在細(xì)胞分裂的過(guò)程中，通過(guò)DNA復(fù)制把親代細(xì)胞所含的遺傳信息忠實(shí)地傳遞給兩個(gè)子代細(xì)胞。在子代細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，這些遺傳信息通過(guò)轉(zhuǎn)錄傳遞給RNA，再由RNA通過(guò)翻譯轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的蛋白質(zhì)多肽鏈上的氨基酸排列順序，由蛋白質(zhì)執(zhí)行各種各樣的生物學(xué)功能，使后代表現(xiàn)出與親代相似的遺傳特征。后來(lái)人們又發(fā)現(xiàn)，在宿主細(xì)胞中一些RNA病毒能以自己的RNA為模板復(fù)制出新的病毒RNA，還有一些RNA病毒能以其RNA為模板合成DNA，稱為逆轉(zhuǎn)錄這是中心法則的補(bǔ)充。蛋白質(zhì)翻譯轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄復(fù)制復(fù)制DNARNA遺傳信息傳遞的中心法則生物的遺傳信息以密碼的形式儲(chǔ)存在DNA分子上，表現(xiàn)為特定的核

中心法則總結(jié)了生物體內(nèi)遺傳信息的流動(dòng)規(guī)律，揭示遺傳的分子基礎(chǔ)，不僅使人們對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)、發(fā)育、遺傳、變異等生命現(xiàn)象有了更深刻的認(rèn)識(shí)，而且以這方面的理論和技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展了基因工程，給人類(lèi)的生產(chǎn)和生活帶來(lái)了深刻的革命。中心法則的意義DNA復(fù)制：以DNA為模板合成DNA，遺傳信息從親代細(xì)胞向子代細(xì)胞傳遞。轉(zhuǎn)錄：以DNA為模板合成RNA，信息由DNA分子傳遞至RNA分子。翻譯：以mRNA為模板合成蛋白質(zhì)，遺傳信息表達(dá)至蛋白質(zhì)。逆轉(zhuǎn)錄：以RNA為模板合成DNA。（RNA病毒，端粒酶）RNA復(fù)制：以RNA為模板合成RNA。（RNA病毒）中心法則總結(jié)了生物體內(nèi)遺傳信息的流動(dòng)規(guī)律，揭示遺傳第一節(jié)DNA的復(fù)制（DNA指導(dǎo)下的DNA合成）第二節(jié)DNA的損傷與修復(fù)第三節(jié)DNA突變第四節(jié)逆轉(zhuǎn)錄作用（RNA指導(dǎo)下的DNA的合成）第五節(jié)DNA的遺傳重組第十章DNA的生物合成第一節(jié)DNA的復(fù)制（DNA指導(dǎo)下的DNA合成）第十章第一節(jié)DNA的半保留復(fù)制

一、概念和實(shí)驗(yàn)依據(jù)二、DNA復(fù)制有關(guān)的酶類(lèi)三、DNA的復(fù)制的起始點(diǎn)和方式四、原核細(xì)胞DNA的復(fù)制過(guò)程五、DNA復(fù)制的忠實(shí)性六、真核細(xì)胞DNA的復(fù)制

第一節(jié)DNA的半保留復(fù)制

一、概念和實(shí)驗(yàn)依據(jù)DNA的半保留復(fù)制的概念

DNA在復(fù)制時(shí)，兩條鏈解開(kāi)分別作為模板，在DNA聚合酶的催化下按堿基互補(bǔ)的原則合成兩條與模板鏈互補(bǔ)的新鏈，組成新的DNA分子。這樣新形成的兩個(gè)DNA分子與親代DNA分子的堿基順序完全一樣。由于子代DNA分子中一條鏈來(lái)自親代，另一條鏈?zhǔn)切潞铣傻模@種復(fù)制方式稱為半保留復(fù)制。DNA的半保留復(fù)制的概念

DNA在復(fù)制時(shí)，兩條鏈DNA的半保留復(fù)制實(shí)驗(yàn)依據(jù)

1958年Meselson&Stahl用同位素示蹤標(biāo)記加密度梯度離心技術(shù)實(shí)驗(yàn),證明了DNA是采取半保留的方式進(jìn)行復(fù)制。1、E.coli在以15N（15NH4Cl）為唯一氮源的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，使細(xì)菌的親代DNA中含15N，具有較高的密度。

2、將生長(zhǎng)在15NH4Cl培養(yǎng)基的E.coli轉(zhuǎn)移到以14N（14NH4Cl）為唯一氮源培養(yǎng)基中培養(yǎng)，使得新合成的核苷酸含有輕的同位素14N，密度較低。

3、如果DNA是半保留復(fù)制，那么E.coli在含有14N氮源介質(zhì)中復(fù)制一輪后分離出的DNA分子應(yīng)當(dāng)是14N和15N各占50％的雜化分子（一條15N-DNA鏈和一條14N-DNA鏈），分子的密度處于14N和15N之間。進(jìn)行半保留復(fù)制第二輪產(chǎn)生的DNA分子中，有一半不含有15N，表現(xiàn)出低密度；另一半是14N和15N各占50％的雜化DNA分子，表現(xiàn)出中等密度。通過(guò)平衡密度梯度離心，不同密度的DNA分子可以按照它們?cè)阡C鹽中的浮力彼此分開(kāi)，密度高的DNA分子出現(xiàn)在離心管的低部，密度最低的出現(xiàn)在離心管的上部，中等密度的位于中部。DNA的半保留復(fù)制實(shí)驗(yàn)依據(jù)1958年MesDNA的半保留復(fù)制實(shí)驗(yàn)依據(jù)DNA的半保留復(fù)制實(shí)驗(yàn)依據(jù)原核生物DNA聚合反應(yīng)有關(guān)的酶類(lèi)

（1）DNA聚合酶(DNApolymerases)（2）引物酶(primase)：?jiǎn)?dòng)RNA引物鏈的合成。(3）DNA連接酶（DNAligase）（4）DNA解鏈酶(DNAhelicase)(5）單鏈結(jié)合蛋白(single-strandbindingprotein,SSB)：結(jié)合在解開(kāi)的DNA單鏈上，防止重新形成雙螺旋。(6）拓?fù)洚悩?gòu)酶(topoisomerase):兼具內(nèi)切酶和連接酶活力，能迅速將DNA超螺旋或雙螺旋緊張狀態(tài)變成松馳狀態(tài)，便于解鏈。解旋酶DNA聚合酶III解鏈酶RNA引物引物酶和引發(fā)體DNA聚合酶ISSB3′3′5′3′5′5′RNA引物原核生物DNA聚合反應(yīng)有關(guān)的酶類(lèi)

（1）DNA聚合酶(DNADNA復(fù)制酶系總覽DNA復(fù)制酶系總覽拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)酶解鏈酶和單鏈結(jié)合蛋白的作用解鏈酶和單鏈結(jié)合蛋白的作用引物酶合成RNA引物引物酶合成RNA引物連接酶連接切口Mg2+連接酶ATPAMP+PPiATCGPTTPPPAACCTGAPACPPPPOHTGGATCGPTTPPPAACCTGAPACPPPTGGP缺口3'3'5'5'5'5'3'3'模板鏈模板鏈連接酶連接切口Mg2+連接酶ATPAMP+PPiATCGPT10DNA的生物合成修復(fù)課件DNA聚合酶催化的鏈延長(zhǎng)反應(yīng)5′RNA引物子鏈3′3′5′模板鏈DNA聚合酶催化的鏈延長(zhǎng)反應(yīng)5′RNA引物子鏈3′3′5′模DNA聚合酶的3′-5′外切酶水解位點(diǎn)3′3′5′5′錯(cuò)配堿基3′-5′核酸外切酶水解位點(diǎn)DNA聚合酶的3′-5′外切酶水解位點(diǎn)3′3′5′5′錯(cuò)配DNA聚合酶5′-3′外切酶活力

5′-3′核酸外切酶水解位點(diǎn)單鏈缺口5′DNA聚合酶5′-3′外切酶活力

5′-3′核酸外切酶水大腸桿菌三種DNA聚合酶比較DNA聚合酶Ⅱ分子量每個(gè)細(xì)胞的分子統(tǒng)計(jì)數(shù)5′-3′聚合酶作用3′-5′核酸外切酶作用5′-3′核酸外切酶作用轉(zhuǎn)化率DNA聚合酶Ⅰ109，000400+++1120，000100++-0.05400，00010-20++-50比較項(xiàng)目DNA聚合酶Ⅲ切除引物修復(fù)修復(fù)復(fù)制功能

1999年發(fā)現(xiàn)聚合酶

和

，它們涉及DNA的錯(cuò)誤傾向修復(fù)（erroounerepair）大腸桿菌三種DNA聚合酶比較DNA分子量DNA109，000DNA聚合酶I水解引物并填補(bǔ)空缺DNA聚合酶I水解引物并填補(bǔ)空缺大腸桿菌DNA聚合酶Ⅲ全酶的結(jié)構(gòu)和功能

延長(zhǎng)因子DNA聚合酶Ⅲ兩個(gè)亞基夾住DNADNA聚合酶Ⅲ異二聚體核心酶校對(duì)引物的結(jié)合和識(shí)別促使核心酶二聚化大腸桿菌DNA聚合酶Ⅲ全酶的結(jié)構(gòu)和功能延長(zhǎng)復(fù)制起始與方向復(fù)制起始與方向DNA的雙向和單向復(fù)制環(huán)狀DNA復(fù)制時(shí)所形成的θ結(jié)構(gòu)起始點(diǎn)復(fù)制叉的推進(jìn)復(fù)制叉起始點(diǎn)起始點(diǎn)起始點(diǎn)復(fù)制叉復(fù)制叉未復(fù)制DNA單向復(fù)制雙向復(fù)制DNA的雙向和單向復(fù)制環(huán)狀DNA復(fù)制時(shí)所形成的θ結(jié)構(gòu)起始點(diǎn)半不連續(xù)復(fù)制半不連續(xù)復(fù)制原核細(xì)胞DNA的半不連續(xù)復(fù)制復(fù)制過(guò)程

復(fù)制叉的移動(dòng)方向解旋酶DNA聚合酶III解鏈酶RNA引物引物體DNA聚合酶ISSB3′3′5′前導(dǎo)鏈隨后鏈3′5′復(fù)制的起始DNA鏈的延長(zhǎng)DNA鏈終止5′RNA引物3′3′原核細(xì)胞DNA的半不連續(xù)復(fù)制復(fù)制過(guò)程

復(fù)制叉的移動(dòng)方向解旋酶大腸桿菌復(fù)制起點(diǎn)OriC成串排列的重復(fù)序列

GATCTNTTNTTT成串排列的三個(gè)13bp序列共有序列共有序列TTATCCACADnaA蛋白結(jié)合位點(diǎn)四個(gè)9bp序列DnaADnaB(解螺旋酶)SSB大腸桿菌DNA復(fù)制起點(diǎn)在起始階段的結(jié)構(gòu)模型大腸桿菌復(fù)制起點(diǎn)OriC成串排列的重復(fù)序列

GATCTNTT聚合酶III核心酶大腸桿菌復(fù)制體結(jié)構(gòu)示意圖聚合酶I聚合酶III核心酶滯后鏈前導(dǎo)鏈解螺旋酶引物合成酶RNA引物引發(fā)體拓?fù)洚悩?gòu)酶II-夾子-聚體-夾子-復(fù)合物RNA引物單鏈結(jié)合蛋白（SSB）聚合酶III核心酶大腸桿菌復(fù)制體結(jié)構(gòu)示意圖聚合酶I聚合酶II復(fù)制叉處前導(dǎo)鏈和隨后鏈同時(shí)合成的工作模型聚合酶III全酶引物聚合酶III全酶引物引物體引物體解旋酶解旋酶復(fù)制叉處前導(dǎo)鏈和隨后鏈同時(shí)合成的工作模型聚合酶III全酶引物大腸桿菌染色體復(fù)制的終止oric復(fù)制叉2復(fù)制叉1終止復(fù)制叉2終止復(fù)制叉1復(fù)制叉1復(fù)制叉2完成復(fù)制DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶

連鎖染色體大腸桿菌染色體復(fù)制的終止oric復(fù)制叉2復(fù)制叉1終止復(fù)制叉2DNA復(fù)制過(guò)程DNA復(fù)制過(guò)程半保留復(fù)制有特定的起點(diǎn)需要RNA作為引物，以后引物被切除，補(bǔ)上DNADNA合成方向是5’→3’復(fù)制可以是單向，也可以是雙向，但速度不一定相等半不連續(xù)復(fù)制，有前導(dǎo)鏈和后滯鏈之分DNA復(fù)制過(guò)程基本特點(diǎn)半保留復(fù)制DNA復(fù)制過(guò)程基本特點(diǎn)復(fù)制的忠實(shí)性

DNA復(fù)制過(guò)程是一個(gè)高度精確的過(guò)程，大腸桿菌DNA復(fù)制5

109堿基對(duì)僅出現(xiàn)一個(gè)誤差，保證復(fù)制忠實(shí)性的原因主要有以下三點(diǎn):DNA聚合酶的高度專一性（嚴(yán)格遵循堿基配對(duì)原則，但錯(cuò)配率為7

10-6）DNA聚合酶的校對(duì)功能（錯(cuò)配堿基被3-5’外切酶切除）

起始時(shí)以RNA作為引物復(fù)制的忠實(shí)性

DNA復(fù)制過(guò)程是一個(gè)高度精確的過(guò)程，大腸DNA聚合酶的校對(duì)功能聚合酶錯(cuò)配鹼基復(fù)制方向正確核苷酸5′5′5′3′3′3′切除錯(cuò)配核苷酸DNA聚合酶的校對(duì)功能聚合酶錯(cuò)配鹼基復(fù)制方向正確核苷酸5′起始時(shí)以RNA作為引物的作用

DNA復(fù)制為什么要合成一個(gè)RNA引物，而后又把這個(gè)引物消除呢？這是保證DNA聚合過(guò)程高度精確的又一措施。DNA聚合酶具有35外切酶功能，以校對(duì)復(fù)制過(guò)程中的核苷酸，也就是說(shuō)聚合酶在開(kāi)始形成一個(gè)新的磷酸二酯鍵前，總是檢查前一個(gè)堿基是否正確，這就決定了它不能從頭開(kāi)始合成。因此先合成一條低忠實(shí)性的多核苷酸來(lái)開(kāi)始DNA的合成，并以核糖核苷酸來(lái)表示是“暫時(shí)”的，當(dāng)DNA開(kāi)始聚合以后再以53外切酶的功能切除，以高忠實(shí)性的脫氧核苷酸取而代之，確保復(fù)制的忠實(shí)性。起始時(shí)以RNA作為引物的作用

DNA復(fù)制為什真核細(xì)胞DNA復(fù)制的特點(diǎn)

多個(gè)起點(diǎn)復(fù)制起點(diǎn)起點(diǎn)起點(diǎn)起點(diǎn)起點(diǎn)起點(diǎn)DNA與細(xì)胞周期一致

真核生物的DNA聚合酶

端粒（telemere）復(fù)制真核細(xì)胞DNA復(fù)制的特點(diǎn)多個(gè)起點(diǎn)復(fù)制起點(diǎn)起點(diǎn)起點(diǎn)起點(diǎn)起點(diǎn)真核生物的DNA聚合酶真核生物的DNA聚合酶DNA復(fù)制導(dǎo)致端?？s短DNA復(fù)制導(dǎo)致端?？s短端粒酶（telomerase）

DNA復(fù)制需要引物，但在線形DNA分子末端不可能通過(guò)正常的機(jī)制在引物被降解后合成相應(yīng)的片段。如果沒(méi)有特殊的機(jī)制合成末端序列，染色體就會(huì)在細(xì)胞傳代中變得越來(lái)越短。這一難題是通過(guò)端粒酶的發(fā)現(xiàn)才得到了澄清，端粒酶是一種含RNA的蛋白復(fù)合物，實(shí)質(zhì)上是一種逆轉(zhuǎn)錄酶，它能催化互補(bǔ)于RNA模板的DNA片段的合成，使復(fù)制以后的線形DNA分子的末端保持不變。

初步研究表明，人體生殖細(xì)胞的端粒長(zhǎng)度保持不變，而體細(xì)胞的端粒長(zhǎng)度則隨個(gè)體的老化而逐步縮短。對(duì)此的一個(gè)推論是：人的生殖細(xì)胞具端粒酶的活力，體細(xì)胞則否。這一問(wèn)題的解決無(wú)疑會(huì)有助于對(duì)生命衰老的認(rèn)識(shí)。5′3′AAAACCCCAAAACCCCCCA端粒酶端粒酶（telomerase）DNA復(fù)制需要引物端粒合成的一種模型3′5′TTTTGGGGTTTTG5′3′AAAACCCCAAAACCCCCCAAA3′5′TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTG5′3′AAAACCCCAAAACCCCCCAAATTGGGTGGGT3′5′AATTTTG5′3′AAAACCCCAAAACCCCCCAGTTTTG整合和雜交移位和再雜交端粒合成的完成TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTGGGGTTTT5′3′nAA3′TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTGGGGT5′3′TTCCCCTnAA3′TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTGGGGT5′3′TTAAAACCCCAAAACCCCAAAACCCCTn進(jìn)一步加工繼續(xù)延伸端粒合成的一種模型3′5′5′3′AAAACCCCAAAAC真核和原核DNA細(xì)胞復(fù)制比較真核和原核DNA細(xì)胞復(fù)制比較第二節(jié)DNA的損傷與修復(fù)

某些物理化學(xué)因子，如紫外線、電離輻射和化學(xué)誘變劑等，都有引起生物突變和致死的作用，其機(jī)理是作用于DNA，造成DNA結(jié)構(gòu)和功能的破壞，稱為DNA的損傷。DNA的修復(fù)主要有以下類(lèi)型:五、應(yīng)急反應(yīng)（SOS修復(fù)）和易錯(cuò)修復(fù)二、直接修復(fù)－光復(fù)活酶修復(fù)三、切除修復(fù)四、重組修復(fù)－暗修復(fù)

一、錯(cuò)配修復(fù)第二節(jié)DNA的損傷與修復(fù)某些物理化學(xué)錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)能識(shí)別DNA新舊鏈錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)能識(shí)別DNA新舊鏈EcoliDNA的錯(cuò)配修復(fù)EcoliDNA的錯(cuò)配修復(fù)EcoliDNA的錯(cuò)配修復(fù)EcoliDNA的錯(cuò)配修復(fù)1、形成嘧啶二聚體2、光復(fù)活酶結(jié)合于損傷部位3、酶被可見(jiàn)光激活4、修復(fù)后酶被釋放DNA紫外線損傷的光復(fù)活酶修復(fù)－直接修復(fù)1、形成嘧啶二聚體2、光復(fù)活酶結(jié)合于3、酶被可見(jiàn)光激活4、修切除修復(fù)（復(fù)制前修復(fù)）切除修復(fù)（復(fù)制前修復(fù)）DNA的重組修復(fù)（復(fù)制后修復(fù)）胸腺嘧啶二聚體復(fù)制核酸酶及重組蛋白修復(fù)復(fù)制DNA聚合酶DNA連接酶重組DNA的重組修復(fù)（復(fù)制后修復(fù)）胸腺嘧啶二聚體復(fù)制核酸酶及重組10DNA的生物合成修復(fù)課件應(yīng)急反應(yīng)（SOS）和易錯(cuò)修復(fù)定義：許多造成DNA損傷或抑制復(fù)制處理均能引起引起一系列復(fù)雜的誘導(dǎo)效應(yīng)，稱應(yīng)急反應(yīng)（SOSresponse）特點(diǎn)：DNA受到嚴(yán)重?fù)p傷、細(xì)胞處于危急狀態(tài)時(shí)所誘導(dǎo)的一種DNA復(fù)制方式。修復(fù)結(jié)果只能維持基因組的完整性，提高細(xì)胞的存活率，但留下的錯(cuò)誤較多，故又稱錯(cuò)誤傾向修復(fù)，使細(xì)胞有較高的突變率。應(yīng)急反應(yīng)（SOS）和易錯(cuò)修復(fù)定義：許多造成DNA損傷或抑10DNA的生物合成修復(fù)課件DNA的損傷與修復(fù)DNA的損傷與修復(fù)10DNA的生物合成修復(fù)課件

第三節(jié)DNA的突變

DNA分子中的核苷酸序列發(fā)生突然而穩(wěn)定的改變，從而導(dǎo)致DNA的復(fù)制以及后來(lái)的轉(zhuǎn)錄和翻譯產(chǎn)物隨之發(fā)生變化，表現(xiàn)出異常的遺傳特性，稱為DNA的突變。它包括由于DNA損傷和錯(cuò)配得不到修復(fù)而引起的突變，以及由于不同DNA分子之間的交換而引起的遺傳重組。二、誘變劑的作用

堿基類(lèi)似物(baseanalog)

堿基修飾劑(basemodifier)

嵌入染料(intercalationdye)

紫外線(ultraviolet)和電離輻射(ionizingradiation)一、突變的類(lèi)型

堿基對(duì)的置換(sub