1、1第二章第二章染色体与染色体与DNADNA21.1.染色体的组成与结构染色体的组成与结构2.DNA2.DNA的的组成与组成与结构结构3.DNA3.DNA的复制的复制4.DNA4.DNA的修复的修复5.DNA5.DNA的重组的重组本章主要内容本章主要内容3染色质：染色质：真核间期核中真核间期核中由由DNADNA、组蛋白、非组蛋、组蛋白、非组蛋白及少量白及少量RNARNA所组成的复所组成的复合体。直径约合体。直径约101015nm15nm。染色体：染色体：染色体已被普染色体已被普遍用于指存在于病毒、细遍用于指存在于病毒、细菌、真核细胞及其细胞器菌、真核细胞及其细胞器内所含的核酸分子。内所含的核酸分
2、子。存在方式：存在方式：DNADNA须经高须经高度压缩，即形成一定的高度压缩，即形成一定的高级结构后，才能装入类核级结构后，才能装入类核和核内。和核内。1.1.染色体（染色体（Chromosome)Chromosome)的组成与结构的组成与结构 4 1.1 1.1 原核生物原核生物(prokaryote)(prokaryote)的的染色体染色体由由DNADNA和组蛋白和组蛋白样碱性蛋白质样碱性蛋白质（即（即DNADNA结合蛋结合蛋白）所组成的白）所组成的复合物复合物DNADNA结合蛋白结合蛋白IIII的二聚体的二聚体富含精氨酸的臂富含精氨酸的臂5（1 1）结构简练：）结构简练：（2 2）存在多
3、顺反子）存在多顺反子mRNAmRNA的转录单元。的转录单元。（3 3）存在重叠基因：同一段）存在重叠基因：同一段DNADNA编码不同的蛋白编码不同的蛋白质。质。E.coliE.coli的的DNADNA双链长达双链长达1.1-1.4mm1.1-1.4mm，是菌体长，是菌体长度的度的10001000倍。倍。l 原核生物基因组的特点原核生物基因组的特点6l 原核原核基因重叠的方式基因重叠的方式：1 1）一个基因完全存在于另一个基因内）一个基因完全存在于另一个基因内2 2）部分重叠）部分重叠3 3）两个基因只有一个碱基对的重叠）两个基因只有一个碱基对的重叠B在在A内，内，E在在D内；内；K与与C部分重
4、叠；部分重叠；D的终止密码的最后一个碱基是的终止密码的最后一个碱基是J起始密码的第一个碱基起始密码的第一个碱基采莲人在绿杨津，采莲人在绿杨津，在绿杨津一阙新；在绿杨津一阙新；一阙新歌声漱玉，一阙新歌声漱玉，歌声漱玉采莲人。歌声漱玉采莲人。71.2 1.2 真核生物染色体的组成真核生物染色体的组成主要包括酶类及与细胞分裂有关的各主要包括酶类及与细胞分裂有关的各种蛋白质，如种蛋白质，如HMGHMG蛋白（可能与蛋白（可能与DNADNA超螺旋结构有超螺旋结构有关）、关）、DNADNA结合蛋白（可能是与结合蛋白（可能是与DNADNA复制和转录有复制和转录有关的酶或调节物）、关的酶或调节物）、A A242
5、4等等l 染色体的组成染色体的组成8l 组蛋白的特性组蛋白的特性(1)(1)进化上的极端保守性进化上的极端保守性 H H1 1 H H2 2A A、H H2 2B HB H3 3 、H H4 4，(2)(2)无组织特异性无组织特异性(3)(3)肽链氨基酸分布的不对称性肽链氨基酸分布的不对称性(4)(4)组蛋白的可修饰性。组蛋白的可修饰性。在细胞周期的特定时间可在细胞周期的特定时间可发生甲基化、乙酰化、磷酸化和发生甲基化、乙酰化、磷酸化和ADPADP核糖基化等。核糖基化等。修饰的意义：使染色质结构发生改变，使其它调修饰的意义：使染色质结构发生改变，使其它调控蛋白易于和染色质相互接触，从而间接影响
6、转控蛋白易于和染色质相互接触，从而间接影响转录活性。录活性。(5)H(5)H5 5组蛋白的特殊性组蛋白的特殊性9 核小体是由核小体是由H H2 2A A、H H2 2B B、H H3 3、H H4 4各两个分子各两个分子生成的八聚体和由大生成的八聚体和由大约约200bpDNA200bpDNA组成的。组成的。八聚体在中间，八聚体在中间，DNADNA分分子盘绕在外，而子盘绕在外，而H H1 1则在则在核小体的外面。每个核小体的外面。每个核小体只有一个核小体只有一个H H1 1。核小体核小体10 核小体组成的实验证明核小体组成的实验证明核酸酶的轻微处理核酸酶的轻微处理核酸酶的广泛处理核酸酶的广泛处理
7、凝胶电泳结果凝胶电泳结果11染色体染色体DNADNA核小体核小体螺线体螺线体.倍倍倍倍倍倍倍倍约万倍约万倍12染色体的组装染色体的组装从从DNA到到染色体染色体不论是形态还是长度都相差很大。不论是形态还是长度都相差很大。人类人类最长最长的第一个染色体全长仅的第一个染色体全长仅10m，但其，但其DNA却长达却长达7.2cm。132.DNA2.DNA的组成与结构的组成与结构2.1 DNA2.1 DNA的一级结构的一级结构14 DNA DNA和和RNARNA中的碱基中的碱基15 碱基、核苷和核苷酸碱基、核苷和核苷酸16OOOPOOPOO-ATPADPAMPOOPNNNNNH2OOHOHC H2O 单
8、核苷酸的组成（举例）单核苷酸的组成（举例）17 核苷酸单链的组成核苷酸单链的组成序列的书写规则序列的书写规则:5 35 3；55端在左端在左,3,3端在右。端在右。182.1.2 2.1.2 真核真核DNADNA序列的特点序列的特点 单一序列单一序列(非重复序列非重复序列)中度重复序列中度重复序列 高度重复序列高度重复序列19 高度重复序列的高度重复序列的卫星卫星DNADNA卫星卫星DNADNA，占，占101060%60%，重复次数达，重复次数达数百万次，不转数百万次，不转录，多位于着丝录，多位于着丝粒处，是异染色粒处，是异染色质组分，可能与质组分，可能与染色体稳定有关。染色体稳定有关。20
9、AluAlu家族家族AluAlu家族家族:哺乳动物和人类基因组中含量最丰富的一哺乳动物和人类基因组中含量最丰富的一种中度重复序列，长约种中度重复序列，长约300bp300bp，在单倍体基因组中，在单倍体基因组中重复达重复达3030万万-50-50万次。因在其万次。因在其170bp170bp处有一个限制性处有一个限制性内切酶内切酶AluAlu的酶切位点（的酶切位点（而得名。而得名。；重复单位内有一Alu(限制性内切酶)的，被切成170bp和130bp两个片段；的序列；作为分界，这部分与简单序列重复(卫星)DNA非常相似；不同的Alu成员的侧翼重复顺序各不相同。下面是人类gDNA中的两个Alu成员
10、：GTTTAGATAAGTTTAGATAAAA2525GTTTAGATAAGTTTAGATAAAAAAAAGAAAGAAATGGTGGAA2525(GAAAGAAA)2 2NANA4 4GAGA5 5GAGA6 6GAAAGAAAAAATAAATGGAAATAAATGG212.1.3 2.1.3 三种常见的三种常见的DNADNA短重复序列类型短重复序列类型l 反向重复反向重复（inverted repeat)inverted repeat)：由反方向互补的：由反方向互补的两个两个DNADNA片段组成。两个反转重复序列又叫片段组成。两个反转重复序列又叫回文序列回文序列(palindrome se
11、quence),(palindrome sequence),反转重复反转重复。l 镜像重复镜像重复(mirror repeat)(mirror repeat)：由反方向完全相同：由反方向完全相同的两个序列组成。的两个序列组成。l 直接重复直接重复(direct repeat)(direct repeat)：由同一方向完全相同的：由同一方向完全相同的两个序列组成。也叫两个序列组成。也叫正向重复正向重复序列、序列、顺向重复顺向重复序列。序列。22反向重复（回文序列）反向重复（回文序列）书书临临汉汉字字翰翰林林书书画画上上荷荷花花和和尚尚画画23较长的回文结构较长的回文结构(单链），可形成单链），可
12、形成茎环结构茎环结构(发夹结构发夹结构)24较长的回文结构较长的回文结构(双链），可形成双链），可形成十字形结构十字形结构25判断判断26镜象重复镜象重复27 C-C-值矛盾值矛盾 C-C-值：值：指物种单倍体基因组指物种单倍体基因组DNADNA的总量。的总量。C-C-值悖理（值悖理（C-value paradox)C-value paradox)，C-C-值矛盾：值矛盾：某些某些物种物种C-C-值大小与其进化复杂性程度之间不呈对应关值大小与其进化复杂性程度之间不呈对应关系的现象，即某些低等生物却具有较大的系的现象，即某些低等生物却具有较大的C C值。值。282.1.4 DNA2.1.4 DN
13、A一级结构的测定一级结构的测定293031桑桑格格法法序序列列分分析析的的原原理理酶酶反反应应电电泳泳方方向向模板模板CCGGTAGCAACT3 5 GG5 3 引物引物dATPdCTPdGTPdTTP+ddATPdATPdCTPdGTPdTTP+ddTTPdATPdCTPdGTPdTTP+ddGTPdATPdCTPdGTPdTTP+ddCTPGGCCAGGCCATCGTTGAGGCGGCCGGCCATCGGCCATCGTTGGGCCATCGGGCCATGGCCATCGTGGCCATCGTTA C G TAGTTGCTACC3 5 TCAACGATGG5 3 读出模板读出模板互补序列互补序列读
14、出模板读出模板序列序列32 DNADNA的双螺旋结构模型的双螺旋结构模型2.2 DNA2.2 DNA二级结构二级结构332.2.1 2.2.1 几个概念几个概念l DNADNA结构多态性：结构多态性：由于结构参数存在一定的差由于结构参数存在一定的差异，而使异，而使DNADNA呈现为呈现为B-DNAB-DNA、A-DNAA-DNA以及以及Z-DNAZ-DNA等不等不同同构象类型构象类型的现象。的现象。l DNADNA构象家族：构象家族：每一类型的每一类型的DNADNA（A-DNA A-DNA、B-B-DNADNA或或Z-DNAZ-DNA），并非只代表单一的构象，而是代），并非只代表单一的构象，而
15、是代表了一组相关的构象。表了一组相关的构象。l 结构参数：结构参数：指螺旋走向、每匝碱基对数、相邻指螺旋走向、每匝碱基对数、相邻碱基对轴向距离、碱基平面与螺旋轴之夹角等。碱基对轴向距离、碱基平面与螺旋轴之夹角等。34ABZ碱基倾角碱基倾角()20 6 4)20 6 4碱基间距碱基间距(nm)0.26 0.34 0.37(nm)0.26 0.34 0.37螺旋直径螺旋直径(nm)2.6 2.0 1.8(nm)2.6 2.0 1.8每匝碱基数每匝碱基数 11 10 1211 10 12螺旋方向螺旋方向 右右 右右 左左 不同螺旋形式不同螺旋形式DNA分子的主要参数的比较分子的主要参数的比较 A-D
16、NA B-DNA Z-DNAA-DNA B-DNA Z-DNA35A-DNA B-DNA Z-DNAA-DNA B-DNA Z-DNA36 DNA DNA二级结构的多态性二级结构的多态性 类型：类型：A B C D E ZA B C D E Z螺旋方向（手性）螺旋方向（手性）右右 右右 右右 右右 右右 左左相对湿度：相对湿度：75%92%66%75%92%66%目前尚无证据说明生物体内有目前尚无证据说明生物体内有C-DNAC-DNA存在。存在。D D、E E构象仅适用于缺少构象仅适用于缺少G-CG-C对的对的DNADNA分子。分子。372.2.2 DNA2.2.2 DNA二级结构的特点二级结
17、构的特点（1 1）A-DNAA-DNA：A-DNAA-DNA包括包括DNA-RNADNA-RNA、RNA-RNARNA-RNA。（2 2）B-DNAB-DNA：近似于近似于Waston-CrickWaston-Crick的的DNADNA双螺旋结构模型。双螺旋结构模型。（3 3）Z-DNAZ-DNA：左旋锯齿形左旋锯齿形DNADNA。Z-DNAZ-DNA的功能：的功能：可能与基因表达的调控有关。可能与基因表达的调控有关。B-DNAB-DNA向向Z-DNAZ-DNA转化的因素：转化的因素：胞嘧啶胞嘧啶C C5 5的甲基化；阳离子的的甲基化；阳离子的结合；结合；Z-DNAZ-DNA结合蛋白；负超螺旋
18、。结合蛋白；负超螺旋。B-DNAB-DNA向向A-DNAA-DNA的转化的转化：B-DNA-B-DNA-（部分脱水）（部分脱水）A-DNA A-DNA。在生理状态下，在生理状态下，B-DNAB-DNA、A-DNAA-DNA和和Z-DNAZ-DNA可能处在可能处在一个动态平衡之中。一个动态平衡之中。螺旋结构的稳定因素：碱基堆积力；氢键；与螺旋结构的稳定因素：碱基堆积力；氢键；与正离子、正离子、亚精胺亚精胺和组蛋白等的结合。和组蛋白等的结合。38T=A39CG40大沟的生物学作用大沟的生物学作用 大沟是大沟是蛋白因子的主要识别部位；与蛋白因子的主要识别部位；与DNADNA形成形成三级结构及基因表达
19、调控有关三级结构及基因表达调控有关可能形成氢键的基团在大、小沟中的分布可能形成氢键的基团在大、小沟中的分布大沟大沟 大沟大沟小沟小沟 小沟小沟A-TA-TG-CG-C41 DNA DNA结合蛋白与结合蛋白与DNADNA之间的相互作用之间的相互作用相对来说,大沟能够提供更多的用于形成氢键的信息。422.3 DNA2.3 DNA的高级结构的高级结构2.3.1 DNA2.3.1 DNA超螺旋超螺旋 DNA DNA超螺旋及其种类超螺旋及其种类l 超螺旋：超螺旋：是当是当双股螺旋双股螺旋进一步盘绕和扭曲时进一步盘绕和扭曲时所形成的高级结构。所形成的高级结构。l 超螺旋种类：超螺旋种类：正超螺旋和负超螺旋
20、。双螺旋正超螺旋和负超螺旋。双螺旋的松缠将导致形成负超螺旋；而的松缠将导致形成负超螺旋；而双螺旋双螺旋的拧紧的拧紧则导致形成正超螺旋。则导致形成正超螺旋。超螺旋是超螺旋是DNADNA三级结构的一种普遍形式。天三级结构的一种普遍形式。天然的然的DNADNA都呈负超螺旋。都呈负超螺旋。43质粒质粒DNADNA的琼脂糖凝胶电泳图谱示意图的琼脂糖凝胶电泳图谱示意图 DNA超螺旋结构对其电泳迁移率的影响超螺旋结构对其电泳迁移率的影响44 DNADNA上述结构的变化可用数学式来表示：上述结构的变化可用数学式来表示：L=T+WL=T+WL L：连接数（连接数（Linking numberLinking nu
21、mber），），DNADNA两条链间交叉的两条链间交叉的次数。次数。T T：盘绕数（盘绕数（twisting numbertwisting number），一条链沿螺旋轴所形），一条链沿螺旋轴所形成的初级螺旋的周数。成的初级螺旋的周数。W W：扭曲数（扭曲数（writhing numberwrithing number），即超螺旋数。），即超螺旋数。45 超螺旋的意义超螺旋的意义：（1 1）使）使DNADNA体积变小。体积变小。使使DNADNA形成高度致密的状态，形成高度致密的状态，从而得以容纳于有限的空间中。从而得以容纳于有限的空间中。（2 2）利于）利于DNADNA双链分开或局部熔链。双链
22、分开或局部熔链。DNADNA特定区域中特定区域中超螺旋结构的增加有助于超螺旋结构的增加有助于DNADNA的结构变化，如复制和的结构变化，如复制和转录的启动等。转录的启动等。DNADNA超螺旋的产生超螺旋的产生：细胞内所有细胞内所有DNADNA超螺旋都是由超螺旋都是由DNADNA拓扑异构酶的催拓扑异构酶的催化作用而产生的。化作用而产生的。462.3.2 DNA2.3.2 DNA拓扑异构酶拓扑异构酶l 拓扑异构酶：拓扑异构酶：催化催化DNADNA拓扑异构体（拓扑异构体（topoisomertopoisomer）相互转化的酶（相互转化的酶（topoisomerasetopoisomerase）。）。
23、催化反应：催化反应：DNADNA链的断裂和连接。共价催化。链的断裂和连接。共价催化。分类：分类：型型 型型 每次作用于每次作用于1 1条条DNADNA链链 作用于作用于2 2条条DNADNA链链 不需不需ATP ATP 需要需要ATPATP L L每次改变数为每次改变数为1 L1 L每次改变数为每次改变数为2 2 原、真核生物的拓扑异构酶都参与原、真核生物的拓扑异构酶都参与DNADNA的复制、的复制、转录和重组过程。转录和重组过程。47 DNADNA超螺旋的形成超螺旋的形成 拓扑异构酶拓扑异构酶 拓扑异构酶拓扑异构酶 负超螺旋负超螺旋 松驰型松驰型DNA DNA 正超螺旋正超螺旋 溴乙锭溴乙锭
24、 溴乙锭溴乙锭 双螺旋分子的链间螺旋数发生变化（增多或减少几圈），DNA分子内部产生额外的张力而使分子内部原子空间位置重排。拓扑异构酶与DNA共价结合形成蛋白质DNA中间体，在其磷酸二酯键处造成暂时性裂口，使DNA的多核苷酸链得以穿越，从而改变分子的拓扑状态。48 型拓扑异构酶作用机理型拓扑异构酶作用机理 型酶首先结合于型酶首先结合于DNADNA，使该处的，使该处的DNADNA熔解，熔解，随后与单链区形成酶随后与单链区形成酶DNADNA复合物；切割复合物；切割DNADNA双股双股中的一股，与切割点的中的一股，与切割点的5 5-P-P形成磷酯酰酪氨酸；形成磷酯酰酪氨酸；DNADNA的另一股链穿越
25、切割点，而断裂的链重新连的另一股链穿越切割点，而断裂的链重新连接，酶被释放。接，酶被释放。49大肠杆菌大肠杆菌topo I:topo I:消除负超螺旋消除负超螺旋大肠杆菌大肠杆菌topo IItopo II：产生负超螺旋：产生负超螺旋503.DNA3.DNA的复制的复制DNARNA蛋白质复制转录翻译逆转录RNA复制51 Watson Watson和和CrickCrick的推测的推测半保留复制半保留复制：双链双链DNADNA在复在复制时制时,两条单链分开，两条单链分开，分分别别以每一条单链做模板以每一条单链做模板,各各自合成一条新的自合成一条新的DNADNA单链，单链，这样新合成的子代双链这样新
26、合成的子代双链DNADNA分子中分子中,一条单链来自亲一条单链来自亲代代DNADNA，另一条单链是新合，另一条单链是新合成的。成的。DNADNA半保留复制意义半保留复制意义：保证保证亲代的遗传信息稳定地传亲代的遗传信息稳定地传递给后代。递给后代。52Semi-conservative Conservative Dispersive53 Matthew Messelson Franklin StahlMatthew Messelson Franklin Stahl 1958年Meselson和Stahl利用氮标记技术在大肠杆菌中首次证实了DNA的半保留复制（实验验证）DNA DNA半保留复制的实
27、验验证半保留复制的实验验证54“Heavy”DNA“Hybrid”DNA“light”DNA “Hybrid”DNA55 l 几个概念几个概念 复制原点复制原点:特定的复制起始点特定的复制起始点ori(或或o）,长长100200bp,富含富含A、T。被特定的蛋白因子所识别。被特定的蛋白因子所识别。质粒、细菌染色体、噬菌体和其它病毒通常有质粒、细菌染色体、噬菌体和其它病毒通常有一个复制起始点，而真核的则有多个复制起始点。一个复制起始点，而真核的则有多个复制起始点。复制子复制子（replicon）：即）：即1个复制单位，包括复制个复制单位，包括复制原点在内的一组基因及其控制下的原点在内的一组基因及
28、其控制下的DNA区段。原区段。原核核DNA构成一个复制子，而真核的则构成多个。构成一个复制子，而真核的则构成多个。复制叉复制叉：复制时，解链酶等先将：复制时，解链酶等先将DNA的一段双链的一段双链解开，形成复制点，这个复制点的形状象一个叉子，解开，形成复制点，这个复制点的形状象一个叉子，故称为复制叉。故称为复制叉。56 半不连续复制半不连续复制：DNADNA复制时其中一条子链的合成复制时其中一条子链的合成是连续的，而另一条子链的合成是不连续的。是连续的，而另一条子链的合成是不连续的。前导链：前导链：指指在在DNADNA复制时，其延伸方向与复制叉复制时，其延伸方向与复制叉移动方向一致并连续合成的
29、链。移动方向一致并连续合成的链。滞后链：滞后链：指其延伸指其延伸方向与复制叉移动方向相反，方向与复制叉移动方向相反，首先形成许多不连续的片段首先形成许多不连续的片段(冈崎片段冈崎片段)，最后再，最后再连成一条完整链的连成一条完整链的DNADNA单链。单链。l 几个概念几个概念573.1 3.1 原核和真核细胞原核和真核细胞染色体染色体DNADNA复制的特点复制的特点1 1）半保留复制（从）半保留复制（从DNADNA复制的结果）复制的结果）2 2）半不连续复制（从新生单链合成的过程）半不连续复制（从新生单链合成的过程）3 3）双向复制（从复制叉延伸的方向）双向复制（从复制叉延伸的方向）583.2
30、 3.2 原核细胞染色体原核细胞染色体DNADNA的复制的复制3.2.1 3.2.1 复制的起始复制的起始 大肠杆菌大肠杆菌DNADNA的复制原点（的复制原点（oriCoriC）59 大约大约2020个个DnaADnaA蛋白在蛋白在ATPATP的作用下与的作用下与oriCoriC处的处的4 4个个9bp9bp保守序列相结合保守序列相结合60 在在HUHU蛋白和蛋白和ATPATP的共同作用下的共同作用下,Dna,Dna复制起始复制起始复合物使复合物使3 3个个13bp13bp直接重复序列变性直接重复序列变性,形成开链形成开链 61 解链酶六聚体分别与单链解链酶六聚体分别与单链DNADNA相结合相
31、结合(需需DnaCDnaC帮助帮助),),进一步解开进一步解开DNADNA双链双链62 1 1）DNA DNA 拓扑异构酶拓扑异构酶(DNA Topoisomerase)(DNA Topoisomerase)：拓扑异构酶拓扑异构酶：使使DNADNA一条链发生断裂和再连接，一条链发生断裂和再连接，作用是松解负超螺旋。主要集中在活性转录区，作用是松解负超螺旋。主要集中在活性转录区，同同转录有关转录有关。例如：大肠杆菌中的。例如：大肠杆菌中的蛋白。蛋白。拓扑异构酶拓扑异构酶：该酶能暂时性地切断和重新连接该酶能暂时性地切断和重新连接双链双链DNADNA，作用是将，作用是将负超螺旋引入负超螺旋引入DNA
32、DNA分子分子。同复制同复制有关有关。例如：大肠杆菌中的。例如：大肠杆菌中的DNADNA旋转酶（旋转酶（gyrasegyrase）。）。3.2.2 3.2.2 参与大肠杆菌染色体参与大肠杆菌染色体DNADNA复制的主要蛋白因子复制的主要蛋白因子633 3）单链结合蛋白）单链结合蛋白(SSBP-single-strand binding(SSBP-single-strand binding protein)protein)：稳定已被解开的稳定已被解开的DNADNA单链、阻止复性、单链、阻止复性、保护单链不被核酸酶降解。保护单链不被核酸酶降解。2 2）DNA DNA 解螺旋酶解螺旋酶 /解链酶解链
33、酶（DNA helicase)DNA helicase)：通过水解通过水解ATPATP获得能量来解开双链获得能量来解开双链DNADNA。E.coliE.coli中的解螺旋酶中的解螺旋酶RepRep沿前导链模板沿前导链模板的的3 3 5 5 移动，而解螺旋酶移动，而解螺旋酶(DnaB)I(DnaB)I、IIII、IIIIII沿后随链模板的沿后随链模板的5 5 3 3 移动。移动。运送和协同运送和协同DnaBDnaC解开解开DNA双链双链DnaBDnaA辨认起始点辨认起始点解螺旋酶解螺旋酶644 4）引物合成酶（引发酶）：）引物合成酶（引发酶）：此酶以此酶以DNADNA为模板合成一段为模板合成一段
34、RNA,RNA,这段这段RNARNA作作为合成为合成DNADNA的引物（的引物（Primer)Primer)。该酶是一种特殊。该酶是一种特殊的以的以DNADNA为模板的为模板的RNARNA聚合酶，是聚合酶，是DnaGDnaG基因的产基因的产物。物。冈崎片段的合成需要冈崎片段的合成需要RNARNA引物；前导链的合引物；前导链的合成也需要成也需要RNARNA引物。引物。DNADNA复制时使用复制时使用RNARNA引物的意义引物的意义:提高提高DNADNA复制复制的保真性。的保真性。65 染色体染色体DNADNA复制时存在复制时存在RNARNA引物的实验证明引物的实验证明66性质性质 聚合酶聚合酶聚
35、合酶聚合酶聚合酶聚合酶3 3 5 5外切活性外切活性+5 5 3 3外切活性外切活性+-5 5 3 3聚合活性聚合活性+中中+很低很低+很高很高新生链合成新生链合成-+聚合酶聚合酶：DNADNA复制的主要聚合酶，其复制的主要聚合酶，其3 3 5 5 外切活外切活性的校对功能，提高了性的校对功能，提高了DNADNA复制的保真性。复制的保真性。聚合酶聚合酶(DNA Pol)(DNA Pol)，KornbergKornberg酶酶:主要是对主要是对DNADNA损伤的修复；以及在损伤的修复；以及在DNADNA复制时切除复制时切除RNARNA引物并催化引物并催化DNADNA合成以填补切除合成以填补切除R
36、NARNA引物后留下的缺口。引物后留下的缺口。聚合酶聚合酶：修复紫外光引起的修复紫外光引起的DNADNA损伤。损伤。5 5）大肠杆菌的）大肠杆菌的DNADNA聚合酶聚合酶 是以是以DNADNA为模板的为模板的DNADNA合成酶合成酶（DdDpDdDp）。催化反应时，以催化反应时，以dNTPdNTP为底物；需要为底物；需要DNADNA模板；需要模板；需要3 3-OH-OH；新链合成方向为；新链合成方向为5 5 3 3 67E.coli E.coli 中的三种中的三种DNADNA多聚酶多聚酶68 聚合反应的基本聚合反应的基本过程都是通过新合成过程都是通过新合成的链的的链的3 3-OH-OH对进入对
37、进入的新的核苷三磷酸的新的核苷三磷酸（用（用d NTPd NTP）的）的，导致磷，导致磷酯键断裂，结果在链酯键断裂，结果在链的的3 3末端加上了一末端加上了一个新的核苷酸，即延个新的核苷酸，即延长了一个核苷酸。长了一个核苷酸。释放出的焦磷酸释放出的焦磷酸经焦磷酸酶水解有利经焦磷酸酶水解有利于聚合反应的进行。于聚合反应的进行。69 Klenow Klenow片段片段 大肠杆菌大肠杆菌DNADNA Pol Pol 经枯草杆菌蛋白酶或胰蛋经枯草杆菌蛋白酶或胰蛋白酶处理后所得到的羧基端大片段白酶处理后所得到的羧基端大片段,具具5 5 3 3聚聚合和合和3 3 5 5外切功能。外切功能。在体外，曾用于在
38、体外，曾用于DNADNA测序测序和和PCRPCR反应。反应。70 Klenow Klenow片段的结构片段的结构71 大肠杆菌的大肠杆菌的DNA Pol IIIDNA Pol III Pol Pol 是一种非对称是一种非对称二聚体，二聚体，一个单体用于先一个单体用于先导链的合成，另一个用于导链的合成，另一个用于后随链的合成。后随链的合成。核心酶核心酶:由由、三个亚基构成，三个亚基构成，：5 5-3-3聚合。聚合。：3 3-5-5外切。外切。：激发激发外切酶活性。外切酶活性。延伸前导链和滞后链延伸前导链和滞后链.复制速率复制速率:体内体内:1000nt/sec:1000nt/sec。体外体外:7
39、00nt/sec:700nt/sec。72Each catalytic core Each catalytic core of Pol synthesizes of Pol synthesizes a daughter strand.a daughter strand.DnaB is responsible DnaB is responsible for forward movement for forward movement at the replication at the replication fork.fork.Coordinating synthesis of the laggi
40、ng and leading strands.7374 6 6）DNADNA连接酶（连接酶（19671967年发现）：年发现）：若双链若双链DNADNA中一条链有切口，切口一端是中一条链有切口，切口一端是3 3-OH-OH，另一端是，另一端是5 5-磷酸基，连接酶可催化这磷酸基，连接酶可催化这两端形成磷酸二酯键，而使切口连接。两端形成磷酸二酯键，而使切口连接。DNADNA连接酶在连接酶在DNADNA复制、损伤修复、重组等过复制、损伤修复、重组等过程中起重要作用。程中起重要作用。连接酶基因的发现连接酶基因的发现 E.coliE.coli liglig基因突变，并不基因突变，并不导致导致DNADN
41、A合成的终止，但引起冈崎片段的异常积合成的终止，但引起冈崎片段的异常积累。累。3535OHOHP P75 连接酶的作用机制连接酶的作用机制 辅因子辅因子原核原核:NAD:NAD真核真核:ATP:ATP+763.2.3 DNA3.2.3 DNA的复制过程（以大肠杆菌的为例）的复制过程（以大肠杆菌的为例）复制的起始复制的起始 解旋与解链：解旋与解链：型拓扑异构酶即型拓扑异构酶即DNADNA旋转酶，引入负超螺旋转酶，引入负超螺旋，抵消复制叉推进时所产生的正超螺旋。解链酶消耗旋，抵消复制叉推进时所产生的正超螺旋。解链酶消耗ATPATP，打开双链。打开双链。RNARNA引物的合成：引物的合成：DNADN
42、A引发酶结合到引发酶结合到DNADNA上并合成一段短的上并合成一段短的RNARNA引物，从而引发复制叉处先导链的复制。引发体引物，从而引发复制叉处先导链的复制。引发体（primosome)primosome)复合体在后随链模板上移动时，每隔复合体在后随链模板上移动时，每隔1000-1000-2000nt2000nt就合成就合成1 1个个RNARNA，用作合成冈崎片段的引物。，用作合成冈崎片段的引物。DNADNA链的延伸：链的延伸：前导链和后随链的引物都由前导链和后随链的引物都由DNA Pol DNA Pol 延延伸。即，前导链和冈崎片段的合成均由伸。即，前导链和冈崎片段的合成均由DNA Pol
43、 DNA Pol 催化。催化。RNARNA引物的切除及引物切除后所留缺口的填补：引物的切除及引物切除后所留缺口的填补：由由DNA PolDNA Pol催化催化。岗崎片段的连接岗崎片段的连接 复制的终止复制的终止77 大肠杆菌大肠杆菌染色体染色体DNADNA复复制的终止制的终止20bp20bp重复性终止子序列（重复性终止子序列（TerTer）tustus基因的产物基因的产物)复制结束时，两个子链仍是相扣的，它们由拓扑复制结束时，两个子链仍是相扣的，它们由拓扑异构酶解旋，结果子代异构酶解旋，结果子代DNADNA随着各自在细胞膜上的附着点移随着各自在细胞膜上的附着点移动而相互分离，分配到动而相互分离
44、，分配到2 2个子细胞中。个子细胞中。78 一般每个细菌胞内只有一个核区，当细胞快速一般每个细菌胞内只有一个核区，当细胞快速生长时，由于生长时，由于DNADNA复制次数与细胞分裂次数不同步，复制次数与细胞分裂次数不同步，一个胞内可同时出现一个胞内可同时出现2 2个甚至个甚至4 4个核区。个核区。图79 DNA DNA分子的复制过程分子的复制过程803.2.4 DNA3.2.4 DNA复制的其它方式复制的其它方式l 滚环型：滚环型：单向复制的一种特殊方式。如：单向复制的一种特殊方式。如：174174的双链环状的双链环状DNADNA复制型（复制型（RFRF）几个概念：几个概念：基因的基因的DNAD
45、NA正链正链 =有义链有义链 =编码链编码链 基因的基因的DNADNA负链负链 =反义链反义链 =模板链模板链 噬菌体基因组较小，是噬菌体基因组较小，是DNADNA复制研究的重要实验复制研究的重要实验系统。其复制是在进入寄主细胞后，主要利用寄主系统。其复制是在进入寄主细胞后，主要利用寄主的基因产物进行的。的基因产物进行的。E.coliE.coli噬菌体噬菌体174174的基因组是一个含的基因组是一个含5386nt5386nt的单链环型的单链环型DNADNA。复制时，首先合成的是其互。复制时，首先合成的是其互补链补链,形成形成RFRF型双链分子型双链分子,然后再以滚环复制方式产然后再以滚环复制方
46、式产生其基因组生其基因组DNADNA。(+)DNA RF(+)DNA81 X X174174以以(+)(+)链为模板链为模板合成合成RFRF型双链型双链DNADNA82 RFRF型型X X 174174滚环复制产生滚环复制产生(+)(+)链链l 滚环复制过程及特点滚环复制过程及特点1 1）在正链的复制原点处切开。）在正链的复制原点处切开。2 2）不需）不需RNARNA引物，以负链为模板，延伸正链。引物，以负链为模板，延伸正链。3 3）只有一个复制叉，单向复制。）只有一个复制叉，单向复制。83l 复制型（复制型（RF）174双链双链环状环状DNA的滚环复制的滚环复制174(-)174(-)链合成
47、是不连续的，链合成是不连续的，相当于相当于E.coliE.coli DNA DNA后随链的合后随链的合成，成，(+)(+)链的合成是连续的，相链的合成是连续的，相当于当于E.coliE.coli先导链的合成。先导链的合成。84l D-D-环复制环复制D-D-环复制环复制：单向复制的一种特殊类型。：单向复制的一种特殊类型。PolPol参与。参与。有两个单向复制叉。有两个单向复制叉。853.3.1 3.3.1 真核真核DNADNA聚合酶聚合酶 Pol Pol 存在部位存在部位 核核 核核 核核 核核 线粒体线粒体Pol Pol：可能主要负责：可能主要负责RNARNA引物的合成。引物的合成。Pol:
48、Pol:可能与可能与DNADNA修复有关。修复有关。Pol Pol：负责线粒体：负责线粒体DNADNA的复制。的复制。Pol Pol：负责前导链和滞后链的合成：负责前导链和滞后链的合成 。Pol:Pol:与滞后链合成有关；可能参与去除与滞后链合成有关；可能参与去除RNARNA引物引物,并填补缺口；参与切除修复。并填补缺口；参与切除修复。3.3 3.3 真核真核DNADNA的复制特点的复制特点8687l 原核与真核染色体原核与真核染色体DNADNA复制的比较复制的比较883.3.2 3.3.2 端粒端粒DNADNA的复制的复制 端粒：端粒：真核染色体的末端结构。真核染色体的末端结构。端粒的功能端
49、粒的功能:保持染色体的稳定。保持染色体的稳定。端粒端粒DNADNA的序列特点：的序列特点：一般含许多串联的短寡聚核苷一般含许多串联的短寡聚核苷酸序列，其一股链如为酸序列，其一股链如为TxGyTxGy，其互补链就为，其互补链就为CyAxCyAx，x x和和y y在在1-41-4范围内。端粒范围内。端粒DNADNA序列具有一定的取向特征，在每序列具有一定的取向特征，在每一染色体的末端，富含一染色体的末端，富含G G的一股链由的一股链由5 533方向延伸而方向延伸而成为一个由成为一个由121216nt16nt构成的单链突起。构成的单链突起。端粒酶：端粒酶：是一种含是一种含RNARNA的蛋白复合体的蛋
50、白复合体,是一种特殊的逆转是一种特殊的逆转录酶。所含录酶。所含RNA(RNA(约长约长150nt)150nt)与端粒与端粒DNADNA末端的单链突起互末端的单链突起互补补,该该RNARNA可作为模板可作为模板,延长上述单链突起。延长上述单链突起。端粒端粒DNADNA的复制的复制:尺蠖模型尺蠖模型89真核端粒真核端粒DNADNA复制的尺蠖模型复制的尺蠖模型90 3.4 3.4 逆转录病毒基因组的复制模式逆转录病毒基因组的复制模式逆转录酶具有以下催化活性：逆转录酶具有以下催化活性：（1 1）RNARNA指导的指导的DNADNA聚合酶活性；聚合酶活性；（2 2）DNADNA指导的指导的DNADNA聚
