1、本章主要内容本章主要内容中心法则中心法则DNA复制的半保留性复制的半保留性DNA的复制过程的复制过程DNA的损伤和修复的损伤和修复反转录反转录 Watson and Crick， 1953 人类科学发展历人类科学发展历史上的伟大里程碑。史上的伟大里程碑。 现代生物化学和分子生物学的一个最基本的观点现代生物化学和分子生物学的一个最基本的观点 在在生命有机体中，基因是唯一能够复制，并且能永远存在的单位，生命有机体中，基因是唯一能够复制，并且能永远存在的单位， 而其意义最终须通过蛋白质才体现出来。而其意义最终须通过蛋白质才体现出来。 从从DNADNA到蛋白质，遗传信息的流动遵循着到蛋白质，遗传信息的
2、流动遵循着中心法则中心法则。1 1 中心法则中心法则2 DNA的半保留复制的半保留复制半保留复制半保留复制（semiconservative replication） 即新的双链即新的双链DNA中，一股链来自模板，中，一股链来自模板，一股链为新合成的。一股链为新合成的。 半保留复制实验依据半保留复制实验依据 1958年年M.Messelson 等用实验予等用实验予以了证实以了证实 双螺旋结构是半保留复制的分子双螺旋结构是半保留复制的分子基础基础 （以原核生物（以原核生物 大肠杆菌为例）大肠杆菌为例）1. 原料：原料： dNTP，Mg+2. 双链双链DNA模板模板3. 引物引物（primer），
3、小片段的），小片段的DNA或或RNA，常是，常是RNA，有游离的，有游离的 3OH。4. 引物酶（引物酶（primase，DnaG），用于合成复制所必需的），用于合成复制所必需的RNA引物引物5. 解螺旋酶解螺旋酶 ( helicase ) , DnaB, 由由DnaA和和DnaC协助在复制的起始点协助在复制的起始点（Ori C）上解开双螺旋。）上解开双螺旋。3 DNA的复制过程的复制过程3.1 与复制有关的酶和因子与复制有关的酶和因子6.单链结合蛋白（单链结合蛋白（SSB，single stranded binding protein）稳定已经解开）稳定已经解开成两股的成两股的DNA单链，防
4、止其退火复性。单链，防止其退火复性。7. 拓扑异构酶拓扑异构酶(DNA topoisomerase) DNA 分子中存在打结，缠绕、连环的超螺旋现象。分子中存在打结，缠绕、连环的超螺旋现象。 I 型酶：型酶： 切开双链中的一股，使切开双链中的一股，使DNA不致打结，切口的不致打结，切口的3端可通过端可通过自由转动一周再与自由转动一周再与5端磷酸连接，不需端磷酸连接，不需ATP。 II 型酶：切断处于超螺旋状态中双股链中的某个部位，通过切口使型酶：切断处于超螺旋状态中双股链中的某个部位，通过切口使超螺旋松弛，利用超螺旋松弛，利用ATP使使DNA恢复复制所要求的负超螺旋状态。恢复复制所要求的负超螺
5、旋状态。 (注注: 拓扑一词的含义是指物体或图象作弹性移位而又保持物体不变的性质。拓扑一词的含义是指物体或图象作弹性移位而又保持物体不变的性质。) DNA片段片段 RNA片段片段 注意注意核苷酸之间的连接方式是核苷酸之间的连接方式是33，5-5-磷酸二酯键磷酸二酯键8. DNA聚合酶（聚合酶（DNA polymerase）聚合聚合酶酶III III 主要的复制酶，兼有校读、纠错的功能主要的复制酶，兼有校读、纠错的功能 有有从从53 延伸多核苷酸链的聚合酶活性，有模板依赖性，其延伸的方延伸多核苷酸链的聚合酶活性，有模板依赖性，其延伸的方式是依据碱基互补配对的原则，将原料式是依据碱基互补配对的原则
6、，将原料dNTP与末端核苷酸游离的与末端核苷酸游离的3 OH以以3,5磷酸二酯键连接，同时释出一个磷酸二酯键连接，同时释出一个PPi 。DNA聚合酶延伸多核苷酸链的方向总聚合酶延伸多核苷酸链的方向总是是5 3 有从有从35 外切酶的活性，以切除可能错配的核苷酸外切酶的活性，以切除可能错配的核苷酸聚合酶聚合酶 I I 用于切除引物用于切除引物RNA,RNA,并填补留下的空隙并填补留下的空隙 有从有从53 延伸多核苷酸链的聚合酶的活性；延伸多核苷酸链的聚合酶的活性； 有从有从35 外切酶的活性，以切除可能错配的核苷酸；外切酶的活性，以切除可能错配的核苷酸； 有从有从53 外切酶的活性，其作用是切除
7、引物外切酶的活性，其作用是切除引物聚合酶聚合酶II II 活性弱活性弱, ,作用与聚合酶作用与聚合酶IIIIII相似相似 有从有从53延伸多核苷酸链的聚合酶活性；延伸多核苷酸链的聚合酶活性； 有从有从35 外切酶的活性外切酶的活性DNA聚合酶聚合酶DNA聚合酶聚合酶DNA聚合酶聚合酶不同种类亚基数目不同种类亚基数目1710相对分子质量相对分子质量103 00088 000900 000 5 3 核酸聚合酶核酸聚合酶活性活性+3 5 核酸外切酶核酸外切酶活性活性+5 3 核酸外切酶核酸外切酶活性活性+-聚合速度（核苷酸聚合速度（核苷酸/分）分）1 0001200240015 00060 000持
8、续合成能力持续合成能力32001500500 000分子数分子数/细胞细胞4001001020功能功能切除引物，修复切除引物，修复修复修复复制复制 真核的真核的DNA聚合酶聚合酶 真核真核DNA的复制至少涉及的复制至少涉及5种复制酶，种复制酶，其中其中、参与染色体参与染色体DNA的复制。的复制。 有引物要求；有引物要求； 负责负责DNA的修复；的修复； 的功能是线粒体的功能是线粒体DNA的复制的复制。 9. DNA连接酶（连接酶（ligase） 将不连续的将不连续的DNA片段以片段以3，5磷酸二酯键连接起来，原核磷酸二酯键连接起来，原核生物通过分解生物通过分解NAD为为NMN和和Pi提供能量，
9、真核生物则消耗提供能量，真核生物则消耗ATP 复制的起始在原核生物只有一个起始点复制的起始在原核生物只有一个起始点（OriC），而在真核生物），而在真核生物有多个起始点。有多个起始点。 由由DnaB（解螺旋酶）在（解螺旋酶）在DnaA 和和DnaC协助下解链，形成复协助下解链，形成复制叉（制叉（replication fork），），SSB结合并稳定解开的单股结合并稳定解开的单股DNA链；引链；引物酶（物酶（DnaG）与上述因子、酶构成引发体（）与上述因子、酶构成引发体（primosome），并合），并合成成RNA引物。解链造成的超螺旋，由拓扑异构酶实现超螺旋的转型，引物。解链造成的超螺旋，由
10、拓扑异构酶实现超螺旋的转型，即把正超螺旋转变为有利于复制的负超螺旋。即把正超螺旋转变为有利于复制的负超螺旋。3.2 DNA复制过程复制过程复制的起始复制的起始复制起始点复制起始点原核原核真核真核复制叉复制叉 原核生物复制的起始原核生物复制的起始 这个过程由这个过程由DNA聚合酶聚合酶III催化，它是主要的复制酶。催化，它是主要的复制酶。领头链（领头链（leading chain）：为连续合成，合成方向与解链方向一致，）：为连续合成，合成方向与解链方向一致，它的模板它的模板DNA链是链是 53 链。链。滞后链（滞后链（lagging chain ）：不连续合成，在）：不连续合成，在RNA引物基础
11、上分段合引物基础上分段合成成DNA小片段（冈崎片段），方向与解链方向相反，它的模板小片段（冈崎片段），方向与解链方向相反，它的模板DNA链是链是35链。链。 由此可见，整个由此可见，整个DNA分子的复制是分子的复制是半不连续半不连续的。的。多核苷酸链的延伸多核苷酸链的延伸半不连续复制示意图半不连续复制示意图 复制叉的结构及参与复制的酶与因子复制叉的结构及参与复制的酶与因子复制的终止复制的终止由由DNA聚合酶聚合酶I完成切除引物，并且填补空隙，由完成切除引物，并且填补空隙，由DNA连接酶连接酶将将DNA片段连接起来。片段连接起来。在真核生物，由在真核生物，由端粒酶端粒酶（telomerase）催
12、化）催化, 在真核线性在真核线性DNA的的末端形成一种特殊的结构并与蛋白质结合成末端形成一种特殊的结构并与蛋白质结合成端粒端粒（telomere）。）。 端粒由成百个端粒由成百个6个核苷酸的重复序列所组成（人为个核苷酸的重复序列所组成（人为TTAGGG，四膜虫为四膜虫为TTGGGG）。端粒的功能为稳定染色体的末端结构，）。端粒的功能为稳定染色体的末端结构，防止染色体间末端连接，并可补偿滞后链防止染色体间末端连接，并可补偿滞后链5-末端在消除末端在消除RNA引物后造成的空缺。复制可使端粒引物后造成的空缺。复制可使端粒5末端缩短，而端末端缩短，而端粒酶（粒酶（telomerase）可外加重复单位到
13、）可外加重复单位到5-末端上，结果使末端上，结果使端粒维持一定的长度。端粒维持一定的长度。胸腺嘧啶二聚体胸腺嘧啶二聚体 DNADNA的突变的突变( (损伤损伤) )大多数是大多数是自发的，是进化与分化的基础。自发的，是进化与分化的基础。 环境中的理化因素，如紫外环境中的理化因素，如紫外辐射引起两个嘧啶碱基的共价辐射引起两个嘧啶碱基的共价聚合。许多化学诱变剂，它们聚合。许多化学诱变剂，它们常是致癌物常是致癌物, ,如亚硝酸盐，常如亚硝酸盐，常导致导致DNADNA突变。突变。 DNADNA的突变有点突变（碱基的突变有点突变（碱基的错配）、碱基的缺失、的错配）、碱基的缺失、DNADNA片片段的重排等
14、形式。段的重排等形式。4 DNA的损伤与修复的损伤与修复4.1 DNA的损伤的损伤直接修复直接修复：如光复活酶：如光复活酶, ,普遍存在在生物机体中普遍存在在生物机体中, ,可以把嘧啶二聚可以把嘧啶二聚体恢复正常状态。体恢复正常状态。切除修复：切除修复：找出损伤位置并切除，进行修复合成并连接。找出损伤位置并切除，进行修复合成并连接。重组修复：重组修复： 先复制再修复。子代链在对应模板链的损伤先复制再修复。子代链在对应模板链的损伤 处留处留下缺口，先将同源母链下缺口，先将同源母链DNADNA上相应的核苷酸片段转移替补，然上相应的核苷酸片段转移替补，然后再合成一段序列填充缺口。后再合成一段序列填充
15、缺口。SOSSOS系统：复杂的系统：复杂的应急反应。既有避免差错的修复又有引起差错应急反应。既有避免差错的修复又有引起差错的修复，后者有高变异率但也增加了生存机会。的修复，后者有高变异率但也增加了生存机会。4.2 DNA损伤的修复损伤的修复切除修复切除修复重组修复重组修复 逆转录也称反转录，是以逆转录也称反转录，是以RNA为模板合成为模板合成DNA的特殊复制方式的特殊复制方式（在某些生物如鸡的肉瘤病毒、（在某些生物如鸡的肉瘤病毒、HIV等）。等）。 它们的遗传信息载体是它们的遗传信息载体是RNA 而不是而不是DNA。因此，在感染细胞时，。因此，在感染细胞时，首先经过逆转录作用成为双链首先经过逆
16、转录作用成为双链DNA，才能整合到宿主基因组中去。，才能整合到宿主基因组中去。 这个过程由逆转录酶催化，它具有以单链这个过程由逆转录酶催化，它具有以单链RNA为模板合成与其互为模板合成与其互补的补的DNA（cDNA），再水解杂交链上的），再水解杂交链上的RNA以及以以及以cDNA为模板合成为模板合成双链双链DNA三种活性。三种活性。 逆转录现象和逆转录现象和逆转录酶（逆转录酶（reverse transcriptase）（H. Temin，1970）是分子生物学研究中的重大发现，是对经典中心法则重要补充是分子生物学研究中的重大发现，是对经典中心法则重要补充。5 逆转录作用（逆转录作用（reverse transcription）逆转录作用图逆转录作用图本章结束本章结束
