第十三章DNA的生物合成概述遺傳信息：DNA是生物體遺傳信息的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。核酸分子中的核苷酸排列順序，具有世代遺傳意義。中心法則：轉(zhuǎn)錄反轉(zhuǎn)錄翻譯復(fù)制復(fù)制蛋白質(zhì)DNARNA

復(fù)制：以親代DNA或RNA為模板，根據(jù)堿基配對(duì)的原則，在一系列酶的作用下，生成與親代相同的子代DNA或RNA的過程。

轉(zhuǎn)錄：以DNA為模板，按照堿基配對(duì)原則合成RNA，即將DNA所含的遺傳信息傳給RNA，形成一條與DNA鏈互補(bǔ)的RNA的過程。

翻譯：亦叫轉(zhuǎn)譯，以mRNA為模板，將mRNA的核苷酸密碼解讀成蛋白質(zhì)的氨基酸順序的過程。

逆轉(zhuǎn)錄：以RNA為模板，在逆轉(zhuǎn)錄酶的作用下，生成DNA的過程。第一節(jié)DNA的復(fù)制細(xì)胞內(nèi)（活生物體內(nèi)）DNA的合成方式：DNA的復(fù)制合成（DNA指導(dǎo)下的DNA復(fù)制）----大多數(shù)生物

反轉(zhuǎn)錄合成（RNA指導(dǎo)下的DNA的合成）

-----RNA病毒一、DNA的半保留復(fù)制合成1953年，Watson和Crick開創(chuàng)性的論文，對(duì)DNA雙螺旋的描述以這樣一段陳述結(jié)尾：“不出我們的意料，我們所假設(shè)的特異性配對(duì)立即提示一種遺傳物質(zhì)可能的復(fù)制機(jī)制。”1.Watson和Crick推測的DNA的復(fù)制方式：DNA半保留復(fù)制母鏈子鏈子鏈DNA半保留復(fù)制2.半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)證據(jù)1958年法國學(xué)者M(jìn)eselson和Stahl（米西爾遜和斯塔爾）用同位素15N標(biāo)記大腸桿菌DNA，并用CsCl密度梯度超速離心技術(shù)，首先證明了DNA的半保留復(fù)制。本實(shí)驗(yàn)利用了兩大試驗(yàn)技術(shù)：（1）15N標(biāo)記實(shí)驗(yàn)（2）CsCl密度梯度超速離心技術(shù)實(shí)驗(yàn)步驟：（2）轉(zhuǎn)入14N培養(yǎng)基培養(yǎng)一代（細(xì)胞數(shù)目加倍）—分離DNA，離心。（第一代）（3）14N培養(yǎng)基培養(yǎng)二代—分離DNA，離心。（第二代）（4）14N培養(yǎng)基培養(yǎng)三代，14N純合與雜合的比例？（1）以15NH4Cl為唯一氮源，培養(yǎng)大腸桿菌12-15代—分離DNA，離心。（親代）*為了進(jìn)一步證實(shí)半保留復(fù)制，可將第一代雜交分子加熱變性，然后，將變性前后的DNA分別進(jìn)行CsCI密度梯度離心，結(jié)果會(huì)怎樣？二、DNA復(fù)制的起點(diǎn)和方向1.兩個(gè)起點(diǎn)，兩個(gè)生長端的相向復(fù)制(存在于線性DNA病毒)3.1個(gè)起點(diǎn)，兩個(gè)復(fù)制區(qū)的雙向復(fù)制(最為普遍的DNA復(fù)制方式）2.1個(gè)起點(diǎn)，1個(gè)復(fù)制區(qū)的單向復(fù)制(見于一些環(huán)形DNA的復(fù)制)生長端生長端舊鏈新鏈復(fù)制叉復(fù)制叉復(fù)制叉原核生物與真核生物染色體DNA復(fù)制比較大腸桿菌環(huán)形染色體DNA分子θ型復(fù)制（1個(gè)復(fù)制原點(diǎn)的雙向復(fù)制）真核生物染色體DNA復(fù)制（多個(gè)復(fù)制原點(diǎn)的雙向復(fù)制）復(fù)制子：DNA分子上能獨(dú)立進(jìn)行復(fù)制的一個(gè)單位，有起始位點(diǎn)和終止位點(diǎn)。原核生物只有一個(gè)復(fù)制子真核生物多個(gè)復(fù)制子復(fù)制叉:DNA復(fù)制時(shí),雙鏈解開,分成兩股,新鏈沿著張開的模板生成,復(fù)制中形成的Y字形的結(jié)構(gòu)。三、參與DNA復(fù)制有關(guān)的酶①需要解開成單鏈的DNA母鏈做模板，因此這類酶又稱為依賴DNA的DNA聚合酶；②以4種脫氧核苷三磷酸（dNTP）為底物催化合成DNA；③不能起始新的DNA鏈合成，需要RNA或DNA做為引物(primer)；④催化dNTP加到生長中的DNA鏈的3'-OH末端；⑤催化DNA合成的方向是5'→3'；⑥需Mg2+激活，需要其他酶和蛋白質(zhì)因子。DNA聚合酶共同的的催化特點(diǎn)：DNA聚合酶催化的反應(yīng):反應(yīng)公式：（dNMP)n+dNTP→(dNMP)n+1+PPiDNA模板鏈脫氧核苷三磷酸脫氧核糖DNA復(fù)制鏈（一）原核生物DNA聚合酶DNA聚合酶—依賴DNA的DNA聚合酶，是1957年由ArthurKornberg(阿瑟·科恩伯格)首次在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)的，后命名為DNA聚合酶I(DNApolyI)。1918年3月3日，阿瑟·科恩伯格(ArthurKornberg，1918-2007)生于美國紐約市。科恩伯格最引人注目的研究工作，是在20世紀(jì)50年代中期用實(shí)驗(yàn)證明DNA的復(fù)制并分離了復(fù)制所需的酶，1956年發(fā)表著名論文《脫氧核糖核酸的酶促合成》，他因此于1959年獲得諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。榮譽(yù)在1953年以前，基因的物質(zhì)本性一直是困擾著全世界生物學(xué)家的問題。1953年4月25日《自然》雜志發(fā)表了沃森(J.Watson)和克里克(F.Crick)的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，既反映了DNA分子可能具有的無窮多樣性，又能立刻提出DNA分子自我復(fù)制的可能機(jī)制，使生物學(xué)家一下子接受基因的物質(zhì)本性就是DNA。但是，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型雖然是以眾多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，但它本身卻尚有待于實(shí)驗(yàn)證明。尤其是，DNA果真是一種能自我復(fù)制的分子嗎??在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型發(fā)表之后，科恩伯格就以這一模型作為設(shè)想基礎(chǔ)，用實(shí)驗(yàn)方法研究DNA的復(fù)制，很快得到成功，于1956年發(fā)表了初步結(jié)果。他成功的原因之一在于他有一個(gè)正確的分析:他覺得構(gòu)成DNA分子的單體雖然是4種脫氧核苷一磷酸，但是，DNA合成的原料卻不是4種脫氧核苷一磷酸，而是4種脫氧核苷三磷酸。4種脫氧核苷三磷酸缺1種都不行，用4種脫氧核苷二磷酸或4種脫氧核苷一磷酸也都不行。他還設(shè)想，細(xì)胞內(nèi)必有合成DNA所需的酶。于是他把大腸桿菌磨碎，用其提取液加上4種脫氧核苷三磷酸(其中至少有1種進(jìn)行放射性同位素標(biāo)記，以便于檢查實(shí)驗(yàn)結(jié)果)，再加一點(diǎn)點(diǎn)微量DNA作為"模板"(如小牛胸腺DNA、大腸桿菌DNA以及大腸桿菌T2噬菌體DNA)。把上述混合液在有鎂離子存在的條件下于37℃靜置30min，發(fā)現(xiàn)放射性標(biāo)記已進(jìn)入DNA部分，說明有新合成的DNA分子。新合成的DNA分子即實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物可以用過氯沉淀法同作為原料的脫氧核苷三磷酸單體分開?？贫鞑駵y定了產(chǎn)物DNA的堿基組成，發(fā)現(xiàn)它們同各自的模板DNA組成驚人地相似,這就充分證明新合成的DNA的特異性是由所加入的那一點(diǎn)點(diǎn)微量的模板DNA決定的，只不過數(shù)量大大增加了而已。DNA果然是一種能自我復(fù)制的分子!酶有不同的“爪、裂縫、凹陷、突起等的表面特性”，因而酶能利用這些特性來“抓、握、拉長、彎扭與它作用的分子”，從而使被它“抓”住的分子進(jìn)行各種不同的化學(xué)反應(yīng)，而生成不同的新化合物或物質(zhì)。這種特殊的“抓”法使分子的反應(yīng)提高了數(shù)百倍甚至數(shù)千倍。大腸桿菌DNA聚合酶特征：

現(xiàn)發(fā)現(xiàn)在大腸桿菌中存在5種DNApol，根據(jù)發(fā)現(xiàn)的先后順序分別命名為DNApolⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、和V。其中主要的有DNApolⅠ、Ⅱ和Ⅲ。DNA聚合酶ⅠDNA聚合酶ⅡDNA聚合酶Ⅲ分子量109kD120kD＞600kD每個(gè)細(xì)胞中分子數(shù)40010010-205′→3′外切活性（切引物）+--3′→5′外切活性（回頭看，糾錯(cuò)）+++功能與作用DNA修復(fù)，切去RNA引物并填補(bǔ)空缺活性低，DNA損傷缺口的修復(fù)DNA復(fù)制主要酶1.DNA聚合酶Ⅰ：Kornberg酶：(單亞基多功能酶)聚合速度:667個(gè)核苷酸/每個(gè)酶分子.每分鐘具有三種酶活性5′3′DNA聚合酶活性（共性）3′5′核酸外切酶活性（糾錯(cuò)，保真）5′3′核酸外切酶活性（切引物，修復(fù)損傷）

2.DNA聚合酶Ⅱ（多亞基酶，亞基數(shù)目≧7）該酶行使5′3′聚合酶活性時(shí)，需要帶有缺口的雙鏈DNA作為模板-引物。缺口不能太大（小于100核苷酸）。所以，DNA聚合酶Ⅱ主要作用可能是修復(fù)損傷缺口。3′-A-C-G-A-C-C-T-A-C-A-T-5′5′-T-G-C-TT-G-T-A-3′POH缺口：？切口：？具有二種酶活性5′3′DNA聚合酶活性（修補(bǔ)缺口）3′5′核酸外切酶活性（糾錯(cuò)）3.DNA聚合酶Ⅲ（亞基數(shù)目≧10）4.DNA聚合酶Ⅳ和Ⅴ：

1999年發(fā)現(xiàn)，它們涉及DNA的錯(cuò)誤傾向修復(fù)。當(dāng)DNA受到嚴(yán)重?fù)p傷時(shí)，誘導(dǎo)產(chǎn)生的兩個(gè)酶。主要的復(fù)制酶，每個(gè)大腸桿菌細(xì)胞中只有10-20個(gè)酶分子，但催化dNTP參入DNA鏈的速率卻是最快的。

聚合速度約為9000個(gè)核苷酸/每個(gè)酶分子.每分鐘具有二種酶活性5′3′DNA聚合酶活性（主要復(fù)制酶）3′5′核酸外切酶活性（糾錯(cuò)）（二）真核生物的DNA聚合酶在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中主要有5種，分別為DNA聚合酶α、β、γ、δ及ε。性質(zhì)αβγδε亞基數(shù)4-5122-3≥1細(xì)胞內(nèi)定位核核線粒體核核5′→3′聚合活性＋＋＋＋＋3′→5′外切活性－－＋＋＋5′→3′外切活性－－－－－功能DNA合成引發(fā)DNA損傷修復(fù)線粒體DNA復(fù)制主要DNA復(fù)制酶復(fù)制修復(fù)

真核生物切除引物由核糖核酸酶H水解掉RNA引物。DNA解鏈過程中的其他酶及蛋白質(zhì)：1.解旋酶、引物酶和單鏈DNA結(jié)合蛋白（SSBP）解鏈酶又稱解旋酶(helicase)它能通過水解ATP獲得能量來解開雙鏈DNA。引物酶（primase）它是一種特殊的依賴DNA的RNA聚合酶，可催化短片段RNA的合成。單鏈結(jié)合蛋白(singlestrandbindingproteins,SSB蛋白)它與解開的單鏈DNA結(jié)合，穩(wěn)定DNA單鏈狀態(tài)，不會(huì)再度螺旋化，并且避免核酸內(nèi)切酶對(duì)單鏈DNA的水解。2.DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶，簡稱拓?fù)涿窪NA拓?fù)洚悩?gòu)酶有I型和II型，它們廣泛存在于原核生物及真核生物中。拓?fù)洚悩?gòu)酶I：主要作用是將環(huán)狀雙鏈DNA的一條鏈切開一個(gè)口，切口處鏈的末端繞螺旋軸按照松馳超螺旋的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，然后再將切口封起來。此過程無需共給能量。這就使DNA復(fù)制叉移動(dòng)時(shí)所引起的前方DNA正超螺旋得到緩解，利于DNA復(fù)制叉繼續(xù)向前打開。DNA復(fù)制完成后，靠拓?fù)涿笇NA分子引入超螺旋結(jié)構(gòu)。拓?fù)洚悩?gòu)酶II：是在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)的，曾被稱為旋轉(zhuǎn)酶(gyrase)，它們作用特點(diǎn)是切開環(huán)狀雙鏈DNA的兩條鏈，分子中的部分經(jīng)切口穿過而旋轉(zhuǎn)，然后封閉切口。DNA復(fù)制完成后，TopoII在ATP參與下，DNA分子從松馳狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)超螺旋。TopoII還可使DNA分子從超螺旋狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗神Y狀態(tài)，此反應(yīng)不需要ATP參與。動(dòng)畫3.DNA連接酶催化相鄰的雙鏈DNA片段切口處的5′-磷酸基和3′-OH生成3′，5′-磷酸二酯鍵。ATCCPPPPOHTAGG3′5′5′3′3′5′ATCCTAGG注意：連接反應(yīng)需要能量，大腸桿菌和其他細(xì)菌以NAD+作為能量來源；動(dòng)物細(xì)胞及噬菌體以ATP作為能量來源。連接酶Mg2+ATPAMP+PPi或NAD+NMN++AMP四、DNA復(fù)制過程（原核生物）解鏈：解鏈酶破壞氫鍵解旋：拓?fù)洚悩?gòu)酶破壞正超螺旋結(jié)構(gòu),貫穿始終。單鏈結(jié)合蛋白（SSBP）與單鏈結(jié)合防止氫鍵再形成和保護(hù)單鏈部分不被核酸酶降解。識(shí)別起點(diǎn)：由引物酶完成。即DNA指導(dǎo)的RNA聚合酶。生成引物RNA：由DNA轉(zhuǎn)錄合成。引物必然留有3′-OH末端.DNA的生成：DNA聚合酶Ⅲ催化合成。在RNA引物3′末端上按堿基互補(bǔ)原則合成。切除引物：由DNA聚合酶I催化切除引物，剩下的DNA片段即岡崎片段。補(bǔ)齊缺口：DNA聚合酶I利用其DNA聚合酶活性按堿基互補(bǔ)原則沿

5′3′方向填補(bǔ)兩個(gè)岡崎片段之間的缺口。其3′末端羥基與下一個(gè)DNA片段5′末端磷酸基之間的切口在DNA連接酶催化下（由NAD+供能）形成磷酸二酯鍵而被連結(jié)起來，最終形成DNA模板鏈的完整新的互補(bǔ)鏈。動(dòng)畫半不連續(xù)復(fù)制DNA雙螺旋的兩條鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械模铣煞较蛑荒苁?′

3′。所以在DNA復(fù)制時(shí)，1條鏈的合成方向和復(fù)制叉的前進(jìn)方向相同，可連續(xù)復(fù)制，稱為前導(dǎo)鏈；而另一條鏈的合成方向和復(fù)制叉的前進(jìn)方向正好相反，不能連續(xù)復(fù)制，只能分成幾個(gè)片段合成，稱為滯后鏈。滯后鏈的片段叫作岡崎片段，它們合成后再連接起來。

動(dòng)畫3ˊ5ˊ注意修改一版教材p387頁圖片錯(cuò)誤真核生物DNA復(fù)制特點(diǎn)：1.與原核生物不同，真核生物DNA復(fù)制有許多起始點(diǎn)。2.復(fù)制的主要酶是DNA聚合酶α和δ。3.端粒酶：保證了“隨從鏈”復(fù)制的完整性。端粒酶：

真核生物體內(nèi)存在的一種特殊的反轉(zhuǎn)錄酶，它是由蛋白質(zhì)和RNA兩部分組成，在端粒酶的催化下，它可以由自身攜帶的RNA為模板，通過逆轉(zhuǎn)錄過程對(duì)末端DNA鏈進(jìn)行延長，并繼續(xù)合成隨從鏈。從而保證染色體復(fù)制的完整性。視頻第二節(jié)反轉(zhuǎn)錄作用（RNA指導(dǎo)下的DNA合成）1.反轉(zhuǎn)錄酶的發(fā)現(xiàn)：1964年，Temin提出前病毒假說(致癌RNA病毒的復(fù)制必需經(jīng)過雙鏈DNA中間體階段)。1970年，Temin（蒂明）和DavidBaltimore（大衛(wèi)·巴爾的摩）分別在勞氏肉瘤病毒和鼠白血病病毒中同時(shí)找到反轉(zhuǎn)錄酶。1975年，兩位同時(shí)獲得諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。大衛(wèi)·巴爾的摩教授（DavidBaltimore）從1997年起擔(dān)任加州理工大學(xué)校長，37歲時(shí)（1975年）獲得諾貝爾獎(jiǎng)。在重組DNA研究，病毒的致病機(jī)理、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控，免疫學(xué)中的信號(hào)傳導(dǎo)等領(lǐng)域做出了杰出的貢獻(xiàn)。大衛(wèi)·巴爾的摩蒂明2006.4泉州師范學(xué)院校領(lǐng)導(dǎo)與大衛(wèi)?巴爾的摩教授夫婦合影留念巴爾的摩妻子為華裔病毒學(xué)家、加州理工學(xué)院生物學(xué)教授黃詩厚（AliceHuang）女士。黃詩厚女士祖籍貴州，生于江西?，F(xiàn)為美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)(AAAS)主席。2018.11.27上午，由香港科學(xué)院、英國皇家學(xué)會(huì)、美國國家醫(yī)學(xué)院舉辦的“第二屆國際人類基因組編輯峰會(huì)”在香港大學(xué)李兆基大會(huì)堂舉行。峰會(huì)籌委會(huì)主席由諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、加州理工學(xué)院前任校長大衛(wèi)·巴爾的摩擔(dān)任。“基因編輯嬰兒”（賀建奎）的話題出現(xiàn)在峰會(huì)上。2018世界生命科學(xué)大會(huì)在北京國家會(huì)議中心舉行，1975年諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者大衛(wèi)·巴爾的摩發(fā)表致辭。有科技日報(bào)記者問，究竟“哪個(gè)生命科學(xué)領(lǐng)域?qū)⒙氏热〉弥卮笸黄撇?duì)人類健康做出重大貢獻(xiàn)”時(shí)，巴爾的摩毫不猶豫的說：“基于基因的一系列治療方法，會(huì)像IT技術(shù)改變?nèi)蛉祟惿钅菢?，在未來極大地改善人類健康、提高生命質(zhì)量?！贝笮l(wèi)·巴爾的摩：賀建奎“基因編輯嬰兒”項(xiàng)目沒必要且不負(fù)責(zé)任2.逆轉(zhuǎn)錄酶的性質(zhì)依賴RNA的DNA聚合酶核糖核酸酶H活力（RNA水解酶）依賴DNA的DNA聚合酶3.反轉(zhuǎn)錄過程+RNA

+

-DNA

-DNA前病毒-+雙鏈DNA和平共處動(dòng)畫4.逆轉(zhuǎn)錄酶的意義完善發(fā)展了中心法則以mRNA為模板，合成cDNA?；蚬こ痰墓ぞ呙?。（篩選目的基因）用于RNA的測序。逆轉(zhuǎn)錄病毒經(jīng)過改建，能成為理想的信息載體，用于腫瘤和遺傳病的基因治療。（利用前病毒能整合到染色體中的機(jī)制）第三節(jié)DNA的損傷（突變）與修復(fù)一、

DNA的突變（各種原因造成的DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)的改變）（一）

DNA突變的因素1.自發(fā)因素2.物理因素引起的DNA損傷3.化學(xué)因素引起的DNA損傷DNA突變與變異、生物進(jìn)化？DNA是細(xì)胞內(nèi)唯一能被修復(fù)的分子。包括堿基脫落、堿基修飾、交聯(lián)，鏈的斷裂，重組等自發(fā)因素1.DNA復(fù)制中的錯(cuò)配2.DNA的自發(fā)性化學(xué)變化（1）堿基的異構(gòu)互變（堿基異構(gòu)體間的互變，造成堿基配對(duì)錯(cuò)誤）（2）堿基的脫氨基作用（堿基環(huán)上的氨基可加水脫氨）（3）脫嘌呤與脫嘧啶（堿基與核糖間糖苷鍵的自發(fā)水解造成）（4）堿基修飾與鏈斷裂（H2O2等的存在對(duì)DNA的損傷）保證DNA復(fù)制準(zhǔn)確性的因素：（1）DNA聚合酶具有模板依賴性，復(fù)制時(shí)dNTP按堿基配對(duì)規(guī)律

使子代與親代DNA核苷酸序列相同，但大約有10-4的錯(cuò)配；（2）DNA聚合酶Ⅰ、Ⅲ均有3′→5′核酸外切酶活性（糾錯(cuò)，

保真），使錯(cuò)配減至10-6；（3）再經(jīng)錯(cuò)配修復(fù)機(jī)制，使錯(cuò)配減至10-9以下。物理因素引起的DNA損傷（1）紫外線引起的DNA損傷（2）電離輻射引起的DNA損傷TT二聚體：a.堿基變化：

b.脫氧核糖變化：

c.DNA鏈斷裂：d.交聯(lián)（DNA鏈交聯(lián)，DNA與蛋白質(zhì)交聯(lián)）水電離形成的自由基引起堿基破壞、脫氧核糖分解、DAN斷裂。3.