第二章DNA结构与复制

1、核酸的结构与功能核酸的结构与功能 DNA-DNA-遗传的物质基础，基因是具有特定生遗传的物质基础，基因是具有特定生物学功能的核苷酸序列，基因通过转录和翻物学功能的核苷酸序列，基因通过转录和翻译能够使亲代的性状准确地在子代表现出来。译能够使亲代的性状准确地在子代表现出来。DNADNA结构与功能密切相关的。结构与功能密切相关的。 Erwin Chargaff用纸层析技术分析用纸层析技术分析DNA的核苷酸组分：的核苷酸组分：(1)腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即 A=T；(2)鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔数也相等，即鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔数也相等，即 G=C；(3)含氨基的腺嘌

2、呤和胞嘧啶总数等于含酮基的鸟嘌呤和胸腺含氨基的腺嘌呤和胞嘧啶总数等于含酮基的鸟嘌呤和胸腺 嘧啶总数，即嘧啶总数，即 A+C=T+G；(4)嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即 A+G=C+T； 所有所有DNA中碱基组成必定是中碱基组成必定是A=T，G=C，这一规律暗示，这一规律暗示A与与T，C与与G相互配对的可能性，为相互配对的可能性，为Watson和和Crick提出提出DNA双螺旋结构提供了重要依据。双螺旋结构提供了重要依据。 该模型揭示了该模型揭示了DNADNA作为遗传物质的稳定性特征，作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是最有价值的是确认了碱基配对原则，这是确认了碱基

3、配对原则，这是DNADNA复制、复制、转录和反转录的分子基础，转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表亦是遗传信息传递和表达的分子基础。达的分子基础。2.3 DNA2.3 DNA的复制的复制 生命的遗传实际上是DNA自我复制的结果。而DNA自我复制主要是通过半保留复制来实现的，是一个以亲代DNA分子为模板合成子代DNA链的过程。即细胞分裂时，通过DNA自我复制将亲代细胞所含有遗传信息传递到子代细胞。 双链DNA的复制包括 复制的起始、延伸和终止三个阶段，并需要拓扑异构酶、解链酶、单链结合蛋白、引物合成酶、DNA聚合酶及DNA连接酶等酶和蛋白质的参与。 Watson和Crick提出DNA双螺

4、旋结构模型的同时对其复制过程进行了探讨。 DNA在复制过程中碱基间的氢键首先断开，每条链分别作为模板合成新链，产生互补的两条链。 新合成2条DNA链的核苷酸序列和亲代DNA链完全相同。因此，每子代分子的一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的，DNA这种复制方式叫做DNA的半保留复制。氯化铯密度梯度离心法：氯化铯密度梯度离心法： 由于15N-DNA分子的密度比普通DNA的密度大，在氯化铯密度梯度离心时，这两种DNA分子形成位置不同的区带。结果证实：结果证实：无论原核还是真核生物无论原核还是真核生物DNA都是以半保留复制方式遗传的都是以半保留复制方式遗传的 DNA复制时，双链DNA要解开成两股

5、链分别进行，所以，这个复制起始点呈现叉子的形式，被称为复制叉。DNA的复制是由固定的起始位点开始的。 复 制 子是生物体DNA复制的基本单位，一个复制子只含一个复制起始位点。 复制叉从复制起点开始沿着DNA链连续移动，起始点可以启动单向复制或者双向复制，这主要取决于在复制起点形成一个还是两个复制叉。 1.富含AT：测定细菌、酵母、线粒体和叶绿体DNA中的复制起始点核苷酸序列，发现复制起始点富含AT序列，它可能有利于DNA复制启动时双链的解开。 2. 细菌、病毒和线粒体DNA分子只有一个复制起始点，即只有一个复制子。 3. 真生物基因组DNA有多个复制起点，可以同时在多个复制起点上进行双向复制，

6、其大小为40-100kb/个。 放射性自显影法：对于大基因组内的不确定区域，两次连续的放射脉冲可以用来标记复制的移动。如果一个脉冲比另一个脉冲强，我们可以用相对的标记强度来区分，这些可用放射自显影观察。单向复制：在复制眼的一端，一种类型的标记后紧跟着另一种标记；双向复制：在复制眼的两端产生一种（对称的）模式。在真核生物中普遍存在。 DNA双链的复制大都是以半保留方式进行的；但是不同生物DNA分子存在形式各不相同，如大小，线性分子和环状分子，功能差异，因而反映在复制方式上的差异。绝大多数DNA复制是以复制叉的形式进行的。线性线性DNA双链的复制双链的复制 研究表明，DNA聚合酶和RNA聚合聚合酶

7、都只从5端向3端移动；体内DNA复制时，由一段RNA引物起始DNA合成，起始后RNA引物被切除，使子链短于母链。切除后的子链5端缺口如何合成？这就提出了线性DNA末端复制的问题。寿命缩短？寿命缩短？355 3线性线性DNADNA末端复制的特殊机制末端复制的特殊机制（1）线性复制子转变为环状或多聚分子：T4噬菌体DNA通过其末端的简并性使不同链的3端因互补而结合。DNA聚合酶作用填满其缺口，再经DNA连接酶作用生成二联体。（2）DNA末端形成发夹式结构，是该分子没有游离的末端。如草履虫线粒体DNA。（1）-复制（2）滚环复制）滚环复制（3）D-环复制环复制2.环状环状DNA的复制的复制（1）-复

8、制复制 E. coli基因组的复制原点位于天冬酰胺合酶和ATP合酶操纵子之间，全长为245 bp，称为oriC，其富含AT，并含有多个短的重复序列，能够被复制起始点结合蛋白所识别。复制的起始： 涉及DNA双链的解旋和松开，形成两个方向相反的复制叉。前导链DNA开始复制前，复制原点的核酸序列被转录生成短的RNA链，作为起始DNA复制的引物。（2）滚环复制（rolling cirle） 这是单向复制的一种特殊形式。X174噬菌体由一个单链环状DNA组成，这条链称为正（+）链，而以其模板合成的互补链称为负（-）链。双链体的复制以滚环复制方式进行。(3)D-环型（D-loop）： 这也是一种单向复制的

9、特殊方式。这种方式首先在动物线粒体DNA的复制中被发现。双链环在固定点解开进行复制。但两条链的合成是高度不对称的，一条链上迅速合成出互补链，另一条链则成为游离的单链环（即D-环）。 基因组DNA是双链环状；复制起始区位于其遗传图的84min附近；OriC含有3个13bp直接重复序列和4个9bp的两个保守序列。复制起始后形成的两个复制叉沿着整个基因组双向等速移动，DNA复制中间产物呈一个。 研究证实多种蛋白质及酶参与DNA双链的解开过程。如拓扑异构酶I、DNA解链酶及SSB蛋白等。 DNA helicase是经水解ATP获得能量来解开双链DNA， 大部分DNA helicase沿着随后链模板5

10、3方向及沿着复制叉的前进而移动。研究证明：Rep蛋白和特定的DNA解链酶分别在DNA两条链上协调作用，以解开双链DNA。 发现T4的基因32蛋白可以在远低于解链温度时使双链DNA分开，并牢牢地结合在单链DNA上，后来发现许多生物中都有这类蛋白。 原核生物：SSB蛋白与DNA结合时还表现协同效应，如第1个SSB蛋白结合DNA的能力为1，第2个SSB蛋白的结合力可达103。真核生物SSB蛋白与单链DNA结合时，不表现协同效应。 SSB蛋白: 保证被解链酶解开的ssDNA在复制完成之前能保持单链结构，SSB蛋白以四聚体形式存在于复制叉处，他没有解链作用。 DNA复制过程中，随着DNA解旋，双螺旋的盘

11、绕数T减少，而超螺旋数W增加，使正超螺旋增加，未解链部分的缠绕更加紧密，形成的压力使解链不能继续进行。 DNA拓扑异构酶作用 它能够消除解链造成的正超螺旋堆积，消除阻碍解链继续进行的此种压力，使DNA复制得以延伸。 研究发现：所有DNA复制是由一个固定的起始位点开始；DNA聚合酶都只能延长已存在的DNA链，而不能从头合成DNA链。 问题：一个新链DNA的复制怎样开始的呢？所有DNA聚合酶都从脱氧核苷酸3-OH端起始DNA合成，所以，DNA复制时，由引发酶(RNA聚合酶)在DNA模板上合成一段RNA链，它提供引发末端（引物），接着由DNA聚合酶从RNA引物的3-OH端开始合成新的DNA链。无论前

12、导链还是后随链开始DNA合成时，都需要RNA引物。参与DNA复制的蛋白质： 后随链的引发由引发体来完成。引发体由n，n，n，DnaB、C和I等6种蛋白质共同组成，与引发酶结合形成引发体。DnaA：结合Ori区，具ATP酶活性，促进DnaB形成起始复合物DnaB：DNA解链酶，有解旋和解链作用DnaC：形成起始复合物，运输DnaBDnaG：DNA引发酶由dnaG基因编码，在特定环境下发挥作用 的RNA聚合酶Hu： 促进起始复合物形成回旋酶：松驰正超螺旋，促进单链DAN产生SSB： 促进DNA解链，稳定单链DNA性性3.冈崎片段与半不连续复制冈崎片段与半不连续复制 dsDNA两条链是反向平行的，因

13、此在复制叉附近的DNA链一条是53，另一条是3 5，即两条模板极性不同。 而DNA聚合酶：DNA合成方向是53，而不是3 5。 无法解释DNA两条链是如何能够同时进行复制？ 日本科学家Okazaki通过含3H-dTTP 培养基培养大肠菌标记其DNA，提出DNA的半不连续复制模型。 原核生物冈崎片段 真核生物冈崎片段 Okazaki fragment：10002000b。 冈崎片段与DNA的半不连续复制模型前导链连续复制，而后随链不连续复制。4. 复制的终止复制的终止 Tus蛋白参与DNA复制的终止，而不需要太多蛋白质的参与。终止子由22个碱基的重复序列的Ter组成。当复制叉迁移到Ter时，Te

14、r-Tus复合物能使DnaB不能再将DNA解链，阻挡复制叉的继续迁移，而为复制的50-100bp经修复方式填补。拓扑异构酶IV的作用下使复制叉解体，释放子链DNA。5. DNA聚合酶聚合酶(1) 大肠杆菌大肠杆菌DNA聚合酶的种类及其功能聚合酶的种类及其功能DNA聚合酶聚合酶 I和和Klenow 片段片段 This enzyme is purified from E. coli cells in which the 3- end two-thirds of the E. coli DNA polymerase I gene is cloned. Thus, it has 35exonuclea

15、se activity, but not 53exonuclease activity.68 kD35 kDDNA聚合酶聚合酶 其有53聚合酶活性，但活性低，其酶活性是DNA聚合酶的5%。 通过其3 5 核酸外切酶活性可起校正作用。DNA聚合酶聚合酶 其有53聚合酶活性，3 5 核酸外切酶活性。该酶活性为DNA聚合酶的15倍， DNA聚合酶的300倍。即5万个核苷酸/min速度合成新DNA链。其他其他DNA聚合酶聚合酶 DNA聚合酶和分别由dinB和umuD 2C基因编码，主要在SOS修复过程中发挥作用。 2.4.2 真核生物DNA复制的特点 （1）DNA分子上出现多复制起始位点； （2）真核

16、生物染色体在全部完成复制前，各个起始点上 DNA复制不能再开始； （3）真核生物DNA复制只在其细胞周期S期进行； （4）真核生物复制子大小约为40100kb。真核生物DNA复合起始区特点： 酵母复制起始区长度约为150bp，包括数个复制起始必须的保守区， 将克隆该DNA片段构建环状DNA分子，它在酵母中自主复制的。 酵母复制起始位点成为自主复制序列(autonomously replicating sequences, ARS）。不同ARS共同特征是具有一个11个A-T碱基对的保守序列。 ORC（origin recognition complex）识别并结合ARS序列，ORC有6种蛋白组成

17、的起动复合物。 人类基因组DNA上每隔30000300 000bp序列有一个复制起始位点。真核生物DNA复制叉的移动速度为50 bp/sec，E.coli的1/20。真核生物真核生物DNA聚合酶聚合酶 哺乳动物主要有5种DNA聚合酶，其特性见表2-12.v原核细胞的生长和增殖速度取决于培养条件，但在生长增殖速度不同的细胞中DNA链延伸的速度几乎是恒定的，只是复制叉的数量不同。 v细胞内复制叉的多少决定了复制起始频率的高低，这可能是原核细胞复制的调控机制。复制起始频率的直接调控因子是蛋白质和RNA。v大肠杆菌染色体DNA复制调控 染色体的复制与细胞分裂一般是同步的，但复制与细胞分裂不直接耦联。复

18、制起始不依赖于细胞分裂，而复制的终止则能引发细胞分裂。 v复制子与转录的操纵子相似，由起始物位点和复制起点两部分组成。起始物位点编码复制调节蛋白质，复制起点与调节蛋白质相互作用并启动复制。起始物位点突变使复制停止并导致细胞死亡。v大肠杆菌的复制起点有OriC和OriH两种，其中OriC是首选的复制起点，而OriH是在RNaseH缺失突变株中发现的一系列复制起点。 调控主要表现在复制的起始水平上E.coli 细胞分裂周期 依营养条件变化 DNA复制周期基本保持30-40min/cycle 37 葡萄糖（C源） 45 min/cell cycle 琥珀酸（C源） 70 min/cell cycle

19、 C starved 10 hrs/cell cycle C suffice 21 min/cell cycle But DNA replication 40min more or less by premature initiation ColE1质粒：6646 bp的小质粒 拷 贝 数：2030/cell ColE1质粒：不依赖于其本身编码的蛋白质，而完全依靠宿 主DNA聚合酶I 质粒编码：两个负调控因子Rop蛋白和反义RNA（RNA1），Rop蛋白和RNA1控制质粒DNA合成所需的引物。 RNA1通过与引物RNA前体互补作用，阻止RNaseH加工引物前体，使其不能转化为有活性的引物，而对

20、DNA复制起负调控作用。 Rop蛋白能提高RNA1与引物前体的互补，增强了RNA1的负调控作用。primer（555nts） v真核细胞的生活周期包括G1、S、G2和M等4个时期。vG1:复制预备期，S:复制期，G2:有丝分裂准备期，M:有丝分裂期。vDNA复制只发生在S期。v真核生物DNA复制有3个水平的调控：(1)细胞生活周期水平调控 决定细胞停留在G1期还是进入S期。许多外部因素和细胞因子参与限制调控。 如促细胞分裂剂、致癌剂、外科切除等都可以诱导细胞由G1期进入S期。(2)染色体水平调控 决定不同染色体或同一染色体不同部位的复制子按一定顺序在S期起始复制，这种有序复制机制还不清楚？(3

21、) 复制子水平调控 决定复制的起始与否。这种调控从单细胞生物到高等生物是高度保守的。 此外，真核生物复制起始还包括转录活化、复制起始复合物的合成和引物合成等阶段。许多参与复制起始蛋白的功能与原核生物中相类似 。 2.5 DNA的修复的修复 一个物种能够一代一代地遗传下去，是因为DNA能够稳定复制。如果DNA不能稳定地复制，那么，物种就不存在了。但，在进化过程中，受到各种因素的影响，导致DNA复制的差错或碱基突变，使生物具有多样性。 DNA复制过程中，发生的差错，可以引起突变。同时，还会受到一些化学反应、物理反应、生物反应造成DNA分子损伤，引起DNA突变。DNA突变的主要因素突变的主要因素 碱基脱落: 形成AP位点；碱基的改变; 电离辐射等物理因素；硫酸二甲酯、甲烷磺酸甲酯等化学因素；DNA病毒和RNA病毒感染、质粒转移、基因重组、转座子的转位等生物因素均能使DNA发生突变。 1. 错配修复 经错配修复系统识别新合成链中的错配并加以校正。 （1）发现碱基错配; （2）在水解ATP作用下, MutS、MutL与碱