1、第十二章第十二章 DNA DNA的复制和修复的复制和修复 本章重点介绍本章重点介绍中心法则中心法则和和DNA的半保留的半保留复制复制以及以及逆转录逆转录的过程和机理，对的过程和机理，对DNA的损的损伤和修复、突变和重组作一般介绍。伤和修复、突变和重组作一般介绍。知识点回顾知识点回顾 什么是什么是DNA？DNA是生物遗传的是生物遗传的主要物质基础主要物质基础，是是遗传信息的载体遗传信息的载体。生物机体的遗。生物机体的遗传信息以密码的形式编码在传信息以密码的形式编码在DNA 分分子上，表现为特定的子上，表现为特定的核苷酸核苷酸排列顺排列顺序。序。DNA的结构特征？的结构特征？双螺旋结构双螺旋结构
2、含两条多核苷酸的双螺旋分含两条多核苷酸的双螺旋分子。子。Watson-Crick 模型模型 什么是什么是DNA变性、复性和杂交变性、复性和杂交？DNA变性变性 指指DNA分子由稳定的双螺旋结分子由稳定的双螺旋结构松解为无规则线性结构的现象。构松解为无规则线性结构的现象。DNA复性复性 变性变性DNA在适当条件下在适当条件下,两条互两条互补链全部或部分恢复到天然双螺旋结构的补链全部或部分恢复到天然双螺旋结构的现象，又称现象，又称“退火退火”。杂交杂交 DNA复性过程中复性过程中不同来源不同来源的的DNA单单链形成双螺旋结构的过程。链形成双螺旋结构的过程。那么，那么，DNA是如何参与遗传信息传递的
3、是如何参与遗传信息传递的？中心法则中心法则1958年年Crick称称之之为中心法则。为中心法则。单复制子单复制子多复制子多复制子（三）半不连续合成（三）半不连续合成b在在DNA复制过程中，一条链是连续合成复制过程中，一条链是连续合成的，而另一条链是不连续合成。的，而另一条链是不连续合成。b体内仅含催化体内仅含催化53合成的合成的DNA聚合酶聚合酶。b60年代，冈琦片段的发现：年代，冈琦片段的发现：合成合成53前导链（前导链（leading strand）是）是连续的，方向与复制叉一致。连续的，方向与复制叉一致。合成合成3 5随从链时，方向与叉相反，随从链时，方向与叉相反，合成不连续，各片段连成
4、一条链。合成不连续，各片段连成一条链。b在在DNA复制时，复制时，1条链的合成方向和复条链的合成方向和复制叉的前进方向相同，可以连续复制，制叉的前进方向相同，可以连续复制，叫作叫作前导链前导链；b而另一条链的合成方向和复制叉的前进而另一条链的合成方向和复制叉的前进方向正好相反，不能连续复制，只能分方向正好相反，不能连续复制，只能分成几个片段成几个片段(冈崎片段冈崎片段)合成，称之为合成，称之为滞滞后链后链。（四）（四）DNA聚合反应有关的酶聚合反应有关的酶Topo I和和Topo II解链酶和解链酶和SSB的作用的作用2 引物酶合成引物酶合成RNA引物引物3 DNA聚合酶延长子链聚合酶延长子链
5、E.Coli的的DNA聚合酶聚合酶真核生物的真核生物的DNA聚合酶聚合酶DNA聚合酶水解引物并填补空隙聚合酶水解引物并填补空隙4 DNA连接酶连接酶 连接冈崎片段连接冈崎片段 5 5 3 35 5dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH 33 3DNA-polDNADNA复制的延长过程复制的延长过程领头链的合成过程领头链的合成过程随从链的合成过程随从链的合成过程DNADNA聚合酶聚合酶催化领头链和随从链同时合成催化领头链和随从链同时合成DNA复制过程简图复制过程简图（一）去除引物，填补缺口：（一）去除引物，填补缺口：（二）连接冈崎片段：（二）连接冈崎片段：5 5 5
6、 RNA酶酶OH P5 DNA-pol dNTP5 5 PATP ADP+Pi5 5 DNA连接酶连接酶 随从链上不连续性片段的连接随从链上不连续性片段的连接DNADNA复制的过程复制的过程（三）真核生物端粒的形成：（三）真核生物端粒的形成：功能功能 维持染色体的稳定性维持染色体的稳定性 保证保证DNA复制的完整性复制的完整性端粒的结构特点端粒的结构特点 由末端单链由末端单链DNA序列和蛋白质构成。序列和蛋白质构成。末端末端DNA序列是多次重复的富含序列是多次重复的富含G、T碱碱基的短基的短 序列。序列。TTTTGGGGTTTTGGGGn线性线性DNA在复制完成后，其末端由于引在复制完成后，其
7、末端由于引物物RNA的水解而可能出现缩短。故需要的水解而可能出现缩短。故需要在在端粒酶端粒酶（telomerase）的催化下，）的催化下，进行延长反应。进行延长反应。5 3 3 5 5 3 3 5 端粒酶端粒酶(telomerase)端 粒 酶 是 一 种端 粒 酶 是 一 种RNA-蛋白质复合蛋白质复合体，它 可 以 其体，它 可 以 其RNA为模板，通为模板，通过逆转录过程对末过逆转录过程对末端端DNA链进行延链进行延长。长。端粒酶的分子结构端粒酶的分子结构端粒酶端粒酶RNA(human telomerase RNA,hTR)端粒酶协同蛋白端粒酶协同蛋白(human telomerase
8、associated protein 1,hTP1)端粒酶逆转录酶端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse transcriptase,hTRT)端粒酶的组成端粒酶的组成端粒酶端粒酶(telomerase)的作用机制的作用机制爬行模型爬行模型端粒酶的爬行模型（动画演示）端粒酶的爬行模型（动画演示）人的人的生殖细胞和癌细胞生殖细胞和癌细胞中，可以检测到中，可以检测到端粒酶活性；而在多数的体细胞中，未端粒酶活性；而在多数的体细胞中，未检测到端粒酶活性检测到端粒酶活性(Kim et al,1994 Science)。在人的在人的永生化细胞中抑制端粒酶永生化细胞中抑制端粒酶的活
9、性的活性，将导致端粒缩短并最终导致细胞死亡，将导致端粒缩短并最终导致细胞死亡(Herbert et al 1999 PNAS)在多数人的在多数人的体细胞体细胞中，端粒随着细胞传中，端粒随着细胞传代而渐渐缩短。将端粒酶导入到人的正代而渐渐缩短。将端粒酶导入到人的正常细胞中，细胞在体外至少可以多传常细胞中，细胞在体外至少可以多传20代代(Bodnaret al,1998 Science)Werner综合症综合症 早老综合症早老综合症是位于是位于8号染色体号染色体短臂的一种短臂的一种DNA解旋酶基因突变解旋酶基因突变 端粒端粒在对于保持染色体稳定性和细胞活在对于保持染色体稳定性和细胞活性有重要作用，
10、性有重要作用，端粒酶端粒酶能延长缩短的端粒（缩短的端粒能延长缩短的端粒（缩短的端粒其细胞复制能力受限），从而增强体外其细胞复制能力受限），从而增强体外细胞的增殖能力。细胞的增殖能力。端粒酶端粒酶在正常人体组织中的活性被抑制在正常人体组织中的活性被抑制，在，在肿瘤肿瘤中被重新激活，端粒酶可能参中被重新激活，端粒酶可能参与恶性转化。与恶性转化。端粒酶端粒酶在保持端粒稳定、基因组完整、在保持端粒稳定、基因组完整、细胞长期的活性和潜在的继续增殖能力细胞长期的活性和潜在的继续增殖能力等方面有重要作用。等方面有重要作用。一、逆转录病毒和逆转录酶一、逆转录病毒和逆转录酶逆转录病毒细胞内的逆转录现象：逆转录病
11、毒细胞内的逆转录现象：RNA 模板模板逆转录酶逆转录酶DNA-RNA 杂化双链杂化双链RNA酶酶单链单链DNA逆转录酶逆转录酶双链双链DNA二、逆转录研究的意义二、逆转录研究的意义 逆转录酶和逆转录现象，是分子生物逆转录酶和逆转录现象，是分子生物学研究中的重大发现。学研究中的重大发现。逆转录逆转录现象说明：至少在某些生物，现象说明：至少在某些生物，RNA同样兼有遗传信息传代与表达功同样兼有遗传信息传代与表达功能。能。对逆转录病毒的研究，拓宽了对逆转录病毒的研究，拓宽了20世纪世纪初已注意到的病毒致癌理论。初已注意到的病毒致癌理论。3 5 5 5 3 3 3 5滚环复制的过程滚环复制的过程3-O
12、H5-P5 5 3 3 5 dNTPDNA-pol 二、引起突变的因素二、引起突变的因素2NHONNH1HNNOHO胞嘧啶（胞嘧啶（C）尿嘧啶（尿嘧啶（U）n由紫外线、电离辐射、由紫外线、电离辐射、X射线等引起的射线等引起的DNA损损伤。其中，伤。其中，X射线和电离辐射常常引起射线和电离辐射常常引起DNA链链的断裂，而的断裂，而紫外线紫外线常常引起常常引起嘧啶二聚体嘧啶二聚体的形成，的形成，如如TT，TC，CC等二聚体。这些嘧啶二聚体由等二聚体。这些嘧啶二聚体由于形成了共价键连接的环丁烷结构，因而会引于形成了共价键连接的环丁烷结构，因而会引起复制障碍。起复制障碍。（二）物理因素：（二）物理因素
13、：嘧啶二聚体的形成嘧啶二聚体的形成 UV1.脱氨剂脱氨剂：如：如亚 硝 酸 与 亚亚 硝 酸 与 亚硝 酸 盐硝 酸 盐，可，可加速加速C脱氨基脱氨基生成生成U，A脱脱氨基生成氨基生成H。（三）化学因素：（三）化学因素：转转换换相相同同类类型型碱碱基基的的取取代代。颠颠换换不不同同类类型型碱碱基基的的取取代代。点点突突变变 插插入入增增加加一一个个碱碱基基。缺缺失失减减少少一一个个碱碱基基。插插入入 增增加加一一段段顺顺序序。缺缺失失 减减少少一一段段顺顺序序。复复突突变变 倒倒位位 一一段段碱碱基基顺顺序序发发生生颠颠倒倒。移移位位 一一段段碱碱基基顺顺序序的的位位置置发发生生改改变变。重重
14、排排 一一段段碱碱基基顺顺序序与与另另一一段段碱碱基基顺顺序序发发生生交交换换。DNA分子上单一碱基的改变称分子上单一碱基的改变称点突变点突变(point mutation)。发生在同型碱基之间，即嘌呤代替发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。1.转换转换发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。啶或嘧啶变嘌呤。2.颠换颠换镰形红细胞贫血病人镰形红细胞贫血病人Hb(HbS)亚基亚基N-val his leu thr pro val glu C 肽链肽链CAC GTG基因基因正常成人正常成人Hb(HbA)亚基亚
15、基N-val his leu thr pro glu glu C 肽链肽链CTC GAG基因基因血红蛋白血红蛋白-亚基的点突变亚基的点突变3.缺失：缺失：一个碱基或一段核苷酸链从一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分大分子上消失。子上消失。4.插入：插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到插入到DNA大分子中间。大分子中间。移码突变移码突变是指三联体密码的阅读方式改变，造是指三联体密码的阅读方式改变，造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。缺失或插入都可导致缺失或插入都可导致移码突变移码突变。谷谷 酪酪 蛋蛋 丝丝5 G C A G U
16、 A C A U G U C 丙丙 缬缬 组组 缬缬正常正常5 G A G U A C A U G U C 缺失缺失C缺失引起的框移突变缺失引起的框移突变5.5.重排重排 DNA分子内较大片段的交换，称为分子内较大片段的交换，称为重组或重排。重组或重排。由基因重排引起的两种地中海贫血基因型由基因重排引起的两种地中海贫血基因型四、四、DNADNA损伤的修复损伤的修复DNA损伤修复损伤修复(repair)：是对已发生分子改变是对已发生分子改变的补偿措施，使其尽可能回复为原有的天然状态的补偿措施，使其尽可能回复为原有的天然状态。光修复光修复(light repair)切除修复切除修复(excisio
17、n repair)重组修复重组修复(recombination repair)SOS修复修复 修复的主要类型：修复的主要类型：无差错修复无差错修复有差错倾向修复有差错倾向修复n这是一种广泛存在的修复作用，能够修复任何这是一种广泛存在的修复作用，能够修复任何嘧啶二聚体嘧啶二聚体的损伤。的损伤。n修复过程由修复过程由光修复酶光修复酶(photolyase)催化完成。催化完成。（一）光修复（一）光修复（light repairlight repair）：）：光修复酶的光修复酶的分子结构分子结构光光n其修复过程为：其修复过程为：1.光修复酶光修复酶(photolyase)识别识别嘧啶二聚体并与之结合形
18、成嘧啶二聚体并与之结合形成复合物。复合物。2.在在300600nm可见光照射可见光照射下，酶获得能量，将嘧啶二下，酶获得能量，将嘧啶二聚体的聚体的丁酰环打开丁酰环打开。3.光修复酶从光修复酶从DNA上上解离解离。1、形成嘧啶二聚体、形成嘧啶二聚体2、光复合酶结合于、光复合酶结合于损伤部位损伤部位3、酶被可见光激活、酶被可见光激活4、修复后酶被释放、修复后酶被释放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n这也是一种广泛存在的修复机制，可适用于这也是一种广泛存在的修复机制，可适用于多种多种DNA损伤的修复。损伤的修复。n切除修复机制的基本过程是切除修复机制的基本过程是将受损的将受损的
19、DNA片片段切除，然后再以对侧链为模板，重新合成段切除，然后再以对侧链为模板，重新合成新链进行修复新链进行修复。（二）切除修复（二）切除修复(excision repair)(excision repair)：DNA的损伤和切除修复的损伤和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 （三）重组修复（三）重组修复(recombination repair)(rec
20、ombination repair)RecA的分子结构的分子结构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RecARecA重组蛋白修复重组蛋白修复DNADNA示意图示意图当当DNA损伤广泛难以继续复制时，由此而诱发损伤广泛难以继续复制时，由此而诱发出一系列复杂的反应。出一系列复杂的反应。在在E.coli中，各种与修复有关的基因，组成一中，各种与修复有关的基因，组成一个称为个称为调节子调节子(regulon)的网络式调控系统。的网络式调控系统。这种修复特异性低，对碱基的识别、选择能力这
21、种修复特异性低，对碱基的识别、选择能力差。通过差。通过SOS修复，复制如能继续，细胞是可修复，复制如能继续，细胞是可存活的。然而存活的。然而DNA保留的错误较多，导致较广保留的错误较多，导致较广泛、长期的突变。泛、长期的突变。（四）（四）SOS修复（修复（SOS Repair）SOS反应的机制反应的机制未诱导的细胞未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）LexA(阻遏物阻遏物)RecA(辅蛋白酶辅蛋白酶)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诱导的细胞诱导的细胞单链单链DNAATP引起大肠杆菌引起大肠杆菌SOS反应的化合物通常对反应的化合物通常对动物是致癌的。动物是致癌的。医学和分子生物学研究表明，人类癌症医学和分子生物学研究表明，人类癌症的发生是由于控制细胞分裂的基因发生的发生是由于控制细胞分裂的基因发生突变。突变。致癌物质中致癌物质中90%都有诱变作用，而诱变都有诱变作用，而诱变剂中剂中90%有致癌作用。有致癌作用。Amas 实验实验 利用营养缺陷型鼠伤寒沙门利用营养缺陷型鼠伤寒沙门式杆菌。式杆菌。Devoret 实验实验
