1、第十二章 DNA的复制和修复,本章重点介绍遗传中心法则和DNA的半保留复制以及逆转录的过程和机理，对DNA的损伤和修复、突变和重组作一般介绍。,返回,思考,DNA是绝大多数生物体遗传信息的载体，继1953年Watson & Crick提出DNA双螺旋结构模型后，1958年，Crick提出了“中心法则”(Central dogma)揭示了遗传信息的传递规律。,遗传信息传递的 中心法则,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序。在细胞分裂的过程中，通过DNA复制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过程中，这些遗传信息通过转录传递给R
2、NA，再由RNA通过翻译转变成相应的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RNA病毒能以自己的RNA为模板复制出新的病毒RNA，还有一些RNA病毒能以其RNA为模板合成DNA，称为逆转录这是中心法则的补充。,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。,目 录,第一节 DNA的复制（DNA指导下的DNA合成） 第二节 DNA的损伤与修复
3、 第三节 DNA突变 第四节 逆转录作用（RNA指导下的DNA的合成） 第五节 DNA的遗传重组,第一节 DNA的半保留复制,一、概念和实验依据 二、DNA聚合反应有关的酶类 三、DNA的复制的起始点和方式 四、原核细胞DNA的复制过程 五、DNA复制的忠实性 六、真核细胞DNA的复制,DNA的半保留复制的概念,DNA在复制时，两条链解开分别作为模板，在DNA聚合酶的催化下按碱基互补的原则合成两条与模板链互补的新链，以组成新的DNA分子。这样新形成的两个DNA分子与亲代DNA分子的碱基顺序完全一样。由于子代DNA分子中一条链来自亲代，另一条链是新合成的，这种复制方式称为半保留复制。,DNA的半
4、保留复制实验依据,1958年Meselson & stahl用同位素示踪标记加密度梯度离心技术实验,证明了DNA是采取半保留的方式进行复制.,15N DNA,14N- 15N DNA,14N DNA,14N- 15N DNA,复制中的大肠杆菌染色体放射自显影图 (Caims实验),将3H-胸苷标记大肠杆菌DNA，经过近两代的时间，3H-胸苷掺入大肠杆菌DNA 。用溶菌酶把细胞壁消化掉，使完整的大肠杆菌染色体DNA释放出来，放射自显影，得到上图。非复制部分（C）银粒子密度较低，由一股放射性链和一股非放射性链构成。已复制部分站整个染色体的三分之二，其中一条双链（ B ）仅有一股链是标记的，另外一股
5、双链（ A ）的两股链都是标记的，银粒子密度为前二者的两倍。染色体全长约为1100微米。,原核生物DNA聚合反应有关的酶类,（1）DNA聚合酶(DNA polymetases) （2）引物酶(peimase)和引发体(primosome) ：启动RNA引物链的合成。 (3） DNA连接酶（DNA ligase） （4）DNA解链酶(DNA helicase) (5）单链结合蛋白(single-strand binding protein,SSB)：结合在解开的DNA单链上，防止重新形成双螺旋。 (6）拓扑异构酶(topoisomerase):兼具内切酶和连接酶活力，能迅速将DNA超螺旋或双螺旋
6、紧张状态变成松驰状态，便于解链。,DNA聚合酶催化的链延长反应,子链,3,5,模板链,大肠杆菌三种DNA聚合酶比较,DNA 聚合酶,分子量 每个细胞的分子统计数 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 转化率,DNA 聚合酶,109，000 400 + + + 1,120，000 100 + + - 0 .05,400，000 10-20 + + - 50,比较项目,DNA 聚合酶,切除引物 修复,修复,复制,功能,1999年发现聚合酶 和，它们涉及DNA的错误倾向修复（errooune repair）,DNA聚合酶的3- 5外切酶水解位点,3,3,5,5,错配碱基
7、,DNA聚合酶5- 3外切酶活力,5- 3核酸外切酶水解位点,单链缺口,5,大肠杆菌DNA聚合酶全酶的结构和功能,延长因子,DNA聚合酶异二聚体,核心酶,校对,引物的结合和识别,促使核心酶二聚化,连接酶连接切口,Mg2+,连接酶,A,T,C,G,P,T,T,P,P,P,A,A,C,C,T,G,A,P,A,C,P,P,P,P,OH,T,G,G,A,T,C,G,P,T,T,P,P,P,A,A,C,C,T,G,A,P,A,C,P,P,P,T,G,G,P,缺口,3,3,5,5,5,5,3,3,模板链,模板链,DNA的双向和单向复制,大肠杆菌复制起点成串排列的重复序列,原核细胞DNA的半不连续复制复制过
8、程,复制叉的移动方向,3,5,3,5,复制的起始,DNA链的延长,DNA链终止,聚合酶III核心酶,大肠杆菌复制体结构示意图,聚合酶I,聚合酶III核心酶,滞后链,前导链,解螺旋酶,引物合成酶,RNA引物,引发体,拓扑异构酶II,-夹子,-聚体,-夹子, -复合物,RNA引物,单链结合蛋白（SSB）,大肠杆菌染色体复制的终止,复制叉2,复制叉1,终止复制叉2,终止复制叉1,复制叉1,复制叉2,完成复制,DNA拓扑异构酶,连锁染色体,复制叉处前导链和随后链同时合成的工作模型,复制的忠实性,DNA复制过程是一个高度精确的过程，据估计，大肠杆菌DNA复制5109碱基对仅出现一个误差，保证复制忠实性的
9、原因主要有以下三点:, DNA聚合酶的高度专一性（严格遵循碱基配对原则，但错配率为7 10-6 ）, DNA聚合酶的校对功能（错配碱基被3-5 外切酶切除）, 起始时以RNA作为引物,DNA聚合酶的校对功能,DNA聚合酶的校对功能,聚合酶,错配硷基,复制方向,正 确核苷酸,5,5,5,3,3,3,切除错配核苷酸,起始时以RNA作为引物的作用,DNA复制为什么要合成一个RNA引物，而后又把这个引物消除呢？这是保证DNA聚合过程高度精确的又一措施。已知DNA 聚合酶具有35外切酶功能校对复制过程中的核苷酸，也就是说聚合酶在开始形成一个新的磷酸二酯键前，总是检查前一个碱基是否正确，这就决定了它不能从
10、头开始合成。因此先合成一条低忠实性的多核苷酸来开始DNA的合成，并以核糖核苷酸来表示是“暂时”的，当DNA开始聚合以后再以53外切酶的功能切除，以高忠实性的脱氧核苷酸取而代之，确保复制的忠实性。,真核细胞DNA复制的特点, 多个起点复制, 真核生物的DNA聚合酶 端粒（telemere）复制,真核生物的DNA聚合酶,端粒酶（telomerase）,DNA复制需要引物，但在线形DNA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.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变得越来越短。这一难题是通过端粒酶的发现才得到了澄清，端粒酶是一种含RNA的蛋白复合物，实质上是一种逆转
11、录酶，它能催化互补于RNA模板的DNA片段的合成，使复制以后的线形DNA分子的末端保持不变。,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力，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。,端粒酶,端粒合成的一种模型,整合和杂交,真核和原核DNA细胞复制比较,第二节 DNA的损伤与修复,某些物理化学因子，如紫外线、电离辐射和化学诱变剂等，都有引起生物突变和致死的作用，其机理是作用于DNA，造成DNA结构和功能的破坏，称为DNA的损伤. DNA的修复主要有以下类型:,暗修复,四、诱导修复（SOS修
12、复）,一、光裂合酶修复,二、切除修复,三、重组修复,DNA紫外线损伤的光裂合酶修复,1、形成嘧啶二聚体,2、光复合酶结合于 损伤部位,3、酶被可见光激活,4、修复后酶被释放,DNA的损伤和切除修复,碱基丢失,碱基缺陷或错配,结构缺陷,切开,核酸内切酶,核酸外切酶,切除,DNA聚合酶,DNA连接酶,AP核酸内切酶,核酸外切酶,切开,切除,修复,连接,糖苷酶,插入酶,碱基取代,DNA的重组修复,胸腺嘧啶二聚体,复制,核酸酶及重组蛋白,修复复制,DNA聚合酶,DNA连接酶,重组,SOS反应的机制,未诱导的细胞,靶基因,lexA基因被LexA 蛋白质部分阻遏,recA基因被LexA 蛋白质部分阻遏,（
13、40个不同的位点被阻遏）,LexA(阻遏物),RecA(辅蛋白酶),第三节 DNA的突变,DNA分子中的核苷酸序列发生突然而稳定的改变，从而导致DNA的复制以及后来的转录和翻译产物随之发生变化，表现出异常的遗传特性，称为DNA的突变。它包括由于DNA损伤和错配得不到修复而引起的突变，以及由于不同DNA分子之间的交换而引起的遗传重组。,二、诱变剂的作用 碱基类似物(base analog) 碱基修饰剂(base modifier) 嵌入染料(intercalation dye) 紫外线(ultraviolet)和电离辐射(ionizing radiation),一、突变的类型 碱基对的置换(su
14、bstitution) 移码突变(framesshift mutation),DNA突变的类型,野生型基因,碱基对的置换(substitution),移码突变 (framesshift mutation),第四节 逆转录作用,一、概念,二、逆转录酶,三、病毒逆转录过程,四、逆转录的生物学意义,扩充了中心法则 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 逆转录酶是分子生物学重要工具酶,三种功能,逆转录过程中cDNA的合成,逆逆转录病毒的生活周期 生活周期,RNA,衣壳,被膜,逆转录酶,转录,转译,整合入宿主细胞染色体DNA,进入细胞,丢失被膜,丢失衣壳,逆转录,RNA,RNA,cD
15、NA,衣壳蛋白,被膜蛋白,逆转录酶,第五节 DNA的遗传重组,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(genetic recombination)，或者基因重排(gene rearrangement )。重组产物称为重组体DNA(recombinant DNA)。 重组的意义在于，它能迅速地增加群体的遗传多样性；使有利的突变与不利突变分开；通过优化组合积累有意义的遗传信息。此外，重组还参与了许多重要的生物学过程，它为DNA损伤或复制障碍提供修复机制。某些生物的基因表达受基因重组的调节，生物发育过程也受到基因加工的控制。,一、同源重组（homologous recombination ） 二、特异位点重组（site-specific recombination） 三、转座重组（transpositional recombination）,
