1、第十二章 DNA的生物合成 本章重点介绍遗传中心法则和本章重点介绍遗传中心法则和DNA半保半保留复制方式，掌握复制的化学反应和复制留复制方式，掌握复制的化学反应和复制方向，以及参与方向，以及参与DNA复制的酶和蛋白质因复制的酶和蛋白质因子，掌握子，掌握DNA复制的基本过程。了解逆转复制的基本过程。了解逆转录机逆转录酶，了解录机逆转录酶，了解DNA突变及修复方式突变及修复方式。思考思考 DNA是绝大多数生物体遗传信是绝大多数生物体遗传信息的载体，继息的载体，继1953年年Watson & Crick提出提出DNA双螺旋结构模型后，双螺旋结构模型后，1958年，年，Crick提出了提出了“中心法则
2、中心法则” (Central dogma)揭示了遗传信息的揭示了遗传信息的传递规律。传递规律。we had found the secret of life 遗传信息传递的中心法则遗传信息传递的中心法则蛋白质蛋白质逆转录逆转录翻译翻译转录转录复制复制复制复制DNARNA生物的遗传信息以密码的形式储存在生物的遗传信息以密码的形式储存在DNA分子上，表现为特定的核苷酸排列顺分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序。在细胞分裂的过程中，通过序。在细胞分裂的过程中，通过DNA复复制制把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递给两个子代细胞。在子代细胞的生长发育给两个子代细胞。在子代
3、细胞的生长发育过程中，这些遗传信息通过过程中，这些遗传信息通过转录转录传递给传递给RNA，再由，再由RNA通过通过翻译翻译转变成相应的转变成相应的蛋白质多肽链上的氨基酸排列顺序，由蛋蛋白质多肽链上的氨基酸排列顺序，由蛋白质执行各种各样的生物学功能，使后代白质执行各种各样的生物学功能，使后代表现出与亲代相似的遗传特征。后来人们表现出与亲代相似的遗传特征。后来人们又发现，在宿主细胞中一些又发现，在宿主细胞中一些RNA病毒能以病毒能以自己的自己的RNA为模板为模板复制复制出新的病毒出新的病毒RNA，还有一些，还有一些RNA病毒能以其病毒能以其RNA为模板合为模板合成成DNA，称为，称为逆转录，逆转录
4、，这是中心法则的这是中心法则的补充。补充。 中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律，揭示遗传的分子基础，不仅使人中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律，揭示遗传的分子基础，不仅使人们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而且以这方面们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而且以这方面的理论和技术为基础发展了基因工程，给人类的生产和生活带来了深刻的革命。的理论和技术为基础发展了基因工程，给人类的生产和生活带来了深刻的革命。？目目 录录第一节第一节 半保留复制半保留复制第二节第二节 DNA的生物合成的生物合成第三节第三节 DNA的损伤与修复的损伤与修复第
5、四节第四节 DNA重组重组第一节第一节 半保留复半保留复制制 （DNA指导下的指导下的DNA合成合成） DNA在复制过程中首先是在复制过程中首先是两条链间的氢键断裂，然后双两条链间的氢键断裂，然后双链解开。接着再以每一条链为链解开。接着再以每一条链为模板，按照碱基互补配对原则模板，按照碱基互补配对原则（A:T,G:C）, 由由DNA聚合酶催聚合酶催化合成新的互补链。这样新形化合成新的互补链。这样新形成的两个成的两个DNA分子与原来的分子与原来的DNA分子的碱基序列完全相同。分子的碱基序列完全相同。每个子代每个子代DNA中的一条链来自中的一条链来自亲代亲代DNA，另一条链则是新合，另一条链则是新
6、合成的，这种复制方式称为成的，这种复制方式称为半保半保留复制留复制。DNA半保留复制的实验依据 19581958年年Meselson Meselson & stahl& stahl用同位素用同位素示踪标记示踪标记/ /密度梯密度梯度离心技术度离心技术实验实验, ,证明了证明了DNADNA是采取是采取半保留的方式进半保留的方式进行复制行复制.第二节第二节 DNA的生物合成的生物合成一一DNA合成的通式及方向合成的通式及方向二二参与参与DNA复制的酶和蛋白因子复制的酶和蛋白因子三三原核生物原核生物DNA复制的过程复制的过程四四真核生物真核生物DNA复制的过程复制的过程五五逆转录作用逆转录作用（RN
7、A指导下的指导下的DNA的合成）的合成）DNA合成的通式及方向合成的通式及方向 DNA合成是以4种dNTP(N=A, T, G, C)为底物，在DNA聚合酶的催化下，向DNA的3-OH添加脱氧核苷酸使链延长的过程。1.1. DNADNA聚合酶聚合酶(DNA polymerases)(DNA polymerases)2.2. DNADNA解旋酶解旋酶(DNA helicase(DNA helicase) )3.3. 单链结合蛋白单链结合蛋白(single-strand (single-strand binding protein,binding protein,SSBSSB) )：结合在：结合在
8、解开的解开的DNADNA单链上，防止重新形单链上，防止重新形成双螺旋。成双螺旋。4.4. 拓扑异构酶拓扑异构酶(topoisomerase(topoisomerase):):兼兼具内切酶和连接酶活力，能迅速具内切酶和连接酶活力，能迅速将将DNADNA超螺旋或双螺旋紧张状态超螺旋或双螺旋紧张状态变成松驰状态，便于解链。变成松驰状态，便于解链。5.5. 引物酶引物酶(primase(primase) )和引发体和引发体 (primosome(primosome) )：启动：启动RNARNA引物链的引物链的合成。合成。6.6. DNADNA连接酶连接酶（DNA ligaseDNA ligase）大肠
9、杆菌有三大肠杆菌有三种种DNA聚合酶聚合酶分子量分子量每个细胞的分子统计数每个细胞的分子统计数5 -3 聚合酶作用聚合酶作用3 -5 核酸外切酶作用核酸外切酶作用5 -3 核酸外切酶作用核酸外切酶作用聚合速度聚合速度(核苷酸核苷酸/分分)持续合成能力持续合成能力主要功能主要功能Pol Pol Pol 109,000400+1000-12003-200DNA修复修复RNA引物切除引物切除120,000100+-24001500DNA修复修复400,00010-20+15000-60000500000DNA复制复制比较项目比较项目DNA聚合酶聚合酶DNA聚合酶聚合酶DNA聚合酶聚合酶DNA pol
10、ymerase I大片段(Klenow fragment)小片段5 -3 聚合酶作用聚合酶作用3 -5 核酸外切酶作用核酸外切酶作用5 -3 核酸外切酶作用核酸外切酶作用DNA polymerase IIIDNA helicaseIf I were an enzyme, I would be DNA helicase ,so I could unzip your genesSingle-stranded DNA binding proteinfrom M. tuberculosis, M. leprae and M. megmatis SSBprimase A primosome is a c
11、omplex of seven proteins: DnaG primase, DnaB helicase, DnaC helicase assistant, DnaT, PriA, Pri B, and PriC. DNA Ligase ligase from many bacteriahttp:/www.rcsb.org/pdb/static.do?p=education_discussion/molecule_of_the_month/pdb55_1.html1. 不能催化单链DNA连接2. 必须具有粘性末端双链DNA，而不是平齐末端3. 羟基和磷酸基团必须相邻topoisomerase
12、cuts one strand of a DNA double helix and then reanneals the cut strand. cuts both strands of one DNA double helix, passes another unbroken DNA strand through it, and then reanneals the cut strand Type IType II原核生物原核生物DNA复制的过程复制的过程 DNADNA复制的复制的起点和起点和方式方式 DNA链的合成与延长 终止终止DNA复制的复制的起点和起点和方式方式未复制未复制DNA复制
13、叉的推进复制叉的推进环状环状 DNA复制复制时所形成的时所形成的Q结结构构起始点起始点双向复制双向复制GATCTNTTNTTT成串排列的成串排列的三个三个13bp序列序列共有序列共有序列共有序列共有序列TTATCCACA DnaA蛋白结合位点蛋白结合位点四个四个9bp序列序列DnaADnaB(解螺旋酶解螺旋酶)SSBE.Coli DNA复制起点在起始阶段的结构模型复制起点在起始阶段的结构模型DNA链的合成与延长复制叉的复制叉的移动方向移动方向拓扑异构酶拓扑异构酶DNA聚聚合酶合酶III解链酶解链酶RNA引物引物引物酶引物酶DNA聚聚合酶合酶ISSB3 3 5 前导链前导链滞后链滞后链3 5 5
14、 RNA引物引物3 3 终终止止Mg2+连接酶连接酶ATP或或NADPPi或或NMNATCGPTTPPPA A CCTGAPACPPPPOHTGGATCGPTTPPPA A CCTGAPACPPPTGGP缺口(nick）33555533模板链模板链模板链模板链Poli I切除RNA引物Ligase 连接DNA DNA复制过程是一个高度精确的过程，据估计，复制过程是一个高度精确的过程，据估计，大肠杆菌大肠杆菌DNA复制复制109-1010碱基对仅出现一个误差，碱基对仅出现一个误差，保证复制忠实性的原因主要有三点保证复制忠实性的原因主要有三点:a、DNA聚合酶的高度专一性（严格遵循聚合酶的高度专一
15、性（严格遵循 碱基配对原则）碱基配对原则）b、DNA聚合酶的校对功能聚合酶的校对功能（错配碱基被（错配碱基被3-5 外切酶切除）外切酶切除）c、起始时以、起始时以RNA作为引物作为引物DNA聚合酶的校对功能聚合酶的校对功能聚合酶聚合酶错配碱基错配碱基复制方向复制方向正正 确确核苷酸核苷酸5 5 5 5 5 5 3 3 3 3 3 3 切除错配切除错配核苷酸核苷酸DNADNA聚合酶的聚合酶的3 3 - 5- 5 外切酶水解位点外切酶水解位点3 3 5 5 错配碱基错配碱基3 - 5 核酸外切核酸外切酶水解位点酶水解位点DNA聚合酶的聚合酶的5 - 3 外切酶水解位点外切酶水解位点真核细胞真核细胞
16、DNA复制的特点复制的特点 多个起点复制多个起点复制起起点点起起点点起起点点起起点点起起点点起起点点 端粒（端粒（telemeretelemere）复制）复制真核和原核真核和原核DNA细胞复制比较细胞复制比较端粒酶（端粒酶（telomerase） DNA复制需要引物，但在线形复制需要引物，但在线形DNA分子末端不可能分子末端不可能通过正常的机制在引物被降解后合成相应的片段通过正常的机制在引物被降解后合成相应的片段.如果没如果没有特殊的机制合成末端序列，染色体就会在细胞传代中有特殊的机制合成末端序列，染色体就会在细胞传代中变得越来越短。这一难题是通过端粒酶的发现才得到了变得越来越短。这一难题是通
17、过端粒酶的发现才得到了澄清，端粒酶是一种含澄清，端粒酶是一种含RNA的蛋白复合物，实质上是一的蛋白复合物，实质上是一种逆转录酶，它能催化互补于种逆转录酶，它能催化互补于RNA模板的模板的DNA片段的合片段的合成，使复制以后的线形成，使复制以后的线形DNA分子的末端保持不变。分子的末端保持不变。 初步研究表明，人体中生殖细胞的端初步研究表明，人体中生殖细胞的端粒长度保持不变，而体细胞的端粒长度粒长度保持不变，而体细胞的端粒长度则随个体的老化而逐步缩短。对此的一则随个体的老化而逐步缩短。对此的一个推论是：人的生殖细胞具端粒酶的活个推论是：人的生殖细胞具端粒酶的活力，体细胞则否。这一问题的解决无疑力
18、，体细胞则否。这一问题的解决无疑会有助于对生命衰老的认识会有助于对生命衰老的认识。5 3 AAAACCCCAAAACCCCCCA端粒酶端粒酶端粒合成的一种模型端粒合成的一种模型3 5 TTTTGGGGTTTTG5 3 AAAACCCCAAAACCCCCCAAA3 5 TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTG5 3 AAAACCCCAAAACCCCCCAAATTGGGTGGGT3 5 AATTTTG5 3 AAAACCCCAAAACCCCCCAGTTTTG 整合整合移位移位端粒合成的完成端粒合成的完成TTTTGGGG TTTTGGGG TTTTGGGGTTTT5 3 nAA3 TTTTGGGG
19、 TTTTGGGG TTTTGGGGT5 3 TTCCCCT nAA3 TTTTGGGG TTTTGGGG TTTTGGGGT5 3 TTAAAACCCC AAAACCCC AAAACCCCT n进一步加工进一步加工继续继续延伸延伸1 1、概念、概念2、逆转录酶、逆转录酶3、病毒逆转录过程病毒逆转录过程4 4、逆转录的生物学意义逆转录的生物学意义扩充了中心法则扩充了中心法则有助于对病毒致癌机制的了解有助于对病毒致癌机制的了解与真核细胞分裂和胚胎发育有关与真核细胞分裂和胚胎发育有关逆转录酶是分子生物学重要工具酶逆转录酶是分子生物学重要工具酶三种功能三种功能依赖依赖DNA指导下的指导下的DNA聚合
20、酶活力聚合酶活力依赖依赖RNA的的DNA聚合酶活力聚合酶活力核糖核酸酶核糖核酸酶H活力活力以以RNARNA为模板合成为模板合成DNADNA，这与，这与通常转录过程中遗传信息从通常转录过程中遗传信息从DNADNA到到RNARNA的方向相反，故称的方向相反，故称为逆转录作用。为逆转录作用。逆转录过程中逆转录过程中cDNA的合成的合成依赖依赖RNA的的DNA聚合酶聚合酶核糖核酸核糖核酸酶酶H活力活力依赖依赖DNA的的DNA聚合酶聚合酶逆逆转录病毒的生活周期逆转录病毒的生活周期生活周期RNA衣壳衣壳被膜被膜逆转逆转录酶录酶转录转录转译转译整合入宿主细胞染色体整合入宿主细胞染色体DNA进入细胞进入细胞丢
21、失被膜丢失被膜丢失衣壳丢失衣壳逆转录逆转录RNARNAcDNA衣壳蛋衣壳蛋白白被膜蛋被膜蛋白白逆转录逆转录酶酶 某些物理（紫外线、电离辐射）和化学或生物某些物理（紫外线、电离辐射）和化学或生物学因素的作用，或者由于生物体学因素的作用，或者由于生物体DNA复制过程出现复制过程出现异常均可引起异常均可引起DNA分子的损伤或改变。如果分子的损伤或改变。如果DNA损损伤不能修复，对体细胞可能影响其功能或生存，对伤不能修复，对体细胞可能影响其功能或生存，对生殖细胞则可能影响到其后代。生殖细胞则可能影响到其后代。一、一、类型类型 碱基对的置换碱基对的置换(substitution) 移码突变移码突变(fr
22、amesshift mutation)暗修复暗修复二、二、（1）光裂合酶修复光裂合酶修复（2）切除修复切除修复（3）重组修复重组修复（4）诱导修复诱导修复（SOSSOS修复）修复） -T-C-G-G-C-T-G-T-A-C-G- -A-G-C-C-G-A-C-A-T-G-C-转换转换A -T-C-G-C-T-G-T-A-C-G- -A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-缺失缺失T野生型基因野生型基因 -T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G- -A-G-C-T-G-A-C-A-T-G-C- -T-C-G-T-C-T-G-T-A-C-G- -A-G-C-A-G-A-C-A-T-G-C-颠换
23、颠换碱基对的置换碱基对的置换(substitution) -T-C-G-A-G-C-T-G-T-A-C-G- -A-G-C-T-C-G-A-C-A-T-G-C-插入插入移码突变移码突变(framesshift mutation)DNA紫外线损伤的光裂合酶修复紫外线损伤的光裂合酶修复A形成嘧啶二聚体形成嘧啶二聚体B光复合酶结合光复合酶结合于损伤部位于损伤部位C修复后酶被释放修复后酶被释放切除修复切除修复碱基丢失碱基丢失碱基缺陷或错配碱基缺陷或错配结构缺陷结构缺陷切开切开 核酸内切酶核酸内切酶核酸外切酶核酸外切酶切除切除DNA聚合酶聚合酶DNA连接连接酶酶AP核酸内切酶核酸内切酶核酸外切酶核酸外切
24、酶切开切开切除切除修复修复连接连接糖苷酶糖苷酶插入酶插入酶碱基碱基取代取代DNA的重组修复的重组修复胸腺嘧啶胸腺嘧啶二聚体二聚体复制复制核酸酶及核酸酶及重组蛋白重组蛋白修复复制修复复制DNA聚合酶聚合酶DNA连接酶连接酶重组重组SOS反应的机制反应的机制靶基因表达靶基因表达lexA靶基因表达靶基因表达 但产物被分解但产物被分解recA大量表达大量表达RecA促使促使分解分解LexA未诱导的细胞未诱导的细胞诱导的细胞诱导的细胞靶基因靶基因lexA基因被基因被LexA 蛋白质部分阻遏蛋白质部分阻遏recA基因被基因被LexA 蛋白质部分阻遏蛋白质部分阻遏（40个不同的位点被阻遏）个不同的位点被阻遏
25、）LexA(阻遏物阻遏物) RecA(辅蛋白酶辅蛋白酶)单链单链DNAATP第四节第四节 DNA重组重组 DNA分子内或分子间发生遗传信息的重新组合，称为遗传重组，DNA的重组广泛存在与各类生物，真核生物在减数分裂过程中两条同源染色体之 间的交换，在噬菌体的整合过程中，在转座过程中都发生DNA的重组。DNA重组在生物进化中起着重要作用。同源重组位点专一性重组转座重组同源重组homologous recombination 指由两条具有同源性的DNA分子，通过错配，链的断裂和再连接，产生片段交换的过程。真核生物染色体的交换，细菌及某些低等生物的转化，以及重组修复都属于这一类。位点专一性重组位点专
26、一性重组site specific recombination 噬菌体基因组插入到细菌基因组染色体上的方式就是位点专一性重组，这个过程也叫整合。这种重组方式需要噬菌体DNA和细菌DNA上的专一性位点，催化这个重要过程的酶只能作用于这对专一性位点。转座重组 transpositional recombination 转座重组指DNA上的核苷酸序列在不同染色体之间或同一染色体的不同区段之间移动，这些可以移动的DNA片段就是转座子。转座子最早在玉米中发现，目前在所有的生物中都发现了转座子。1. Conservative Transposition2. Replicative Transposition3. Retrotransposition
