核酸第1-1章DNA复制

1、DNA的生物合成的生物合成The Central Dogma转转 录录翻翻 译译逆转录逆转录复复 制制第一节第一节 DNA复制的基本特征复制的基本特征一、半保留复制一、半保留复制(semiconservative replication) 当当DNADNA进行复制时，双螺旋结构解开成两条单链，各自作进行复制时，双螺旋结构解开成两条单链，各自作为模板合成与之互补的新链。在子代为模板合成与之互补的新链。在子代DNADNA双链中，一条是来自双链中，一条是来自于亲代，另一条完全重新合成于亲代，另一条完全重新合成 。 这种复制方式称为这种复制方式称为半保留复制半保留复制二、从复制起点双向复制二、从复制起

2、点双向复制1 1、复制起点（、复制起点（oriori/O/O）有几十甚至几百个碱基的有几十甚至几百个碱基的跨度，富含跨度，富含AT2 2、复制子（、复制子（repliconreplicon）从一个复制起点引发复制的全部从一个复制起点引发复制的全部DNADNA序列序列 3 3、复制叉（、复制叉（replication forkreplication fork）复制时在解链点形成分叉结构复制时在解链点形成分叉结构 3 5 5 3 新链新链3 5 3 5 亲代亲代DNADNA复制方向复制方向前导链前导链 ( ( leading strand )leading strand ) 顺着解链方向生成的子链

3、，其复制是连续进行的，所得顺着解链方向生成的子链，其复制是连续进行的，所得到一条连续片段的子链。到一条连续片段的子链。5 53 33 3 5 5 3 3 5 5 解链方向解链方向 三、半不连续复制三、半不连续复制（semidiscontinuou replication）3 3 5 5 3 3 5 5 解链方向解链方向 复制方向与解链方向相反，须等待解开足够长度的模板链才复制方向与解链方向相反，须等待解开足够长度的模板链才能继续复制能继续复制 ，所得到一条由不连续片段组成的子链，所得到一条由不连续片段组成的子链 。 后随链后随链 ( ( lagging strand )lagging stra

4、nd ) 冈崎片段（冈崎片段（ Okazaki fragment Okazaki fragment ） 分段合成的后随链片段分段合成的后随链片段 3 35 53 33 35 5第二节第二节 原核生物原核生物DNA的复制的复制一、参与一、参与DNA复制的酶和蛋白质复制的酶和蛋白质（一）（一） DNA 聚合酶（聚合酶（DNA polymerase）其特点是其特点是: :需要需要模板模板(template) (template) 需要需要引物引物（primerprimer） 寡核苷酸寡核苷酸3 3 - - OHOH 以以5533方向催化合成方向催化合成DNADNADNA-pol 1 1、5 5 3

5、3 的的DNADNA聚合酶活性聚合酶活性：聚合速度，延伸能力：聚合速度，延伸能力2 2、3 3 5 5 外切酶活性外切酶活性 ：能辨认错配的碱基对，并将其水解（校对）能辨认错配的碱基对，并将其水解（校对）3 3、5 5 3 3 外切酶活性：外切酶活性：切口平移（切口平移（nick translationnick translation）5 A G C T T C A G G A T A 3 | | | | | | | | | | |3 T C G A A G T C C T A G C G A C 5?大肠杆菌大肠杆菌DNADNA聚合酶功能聚合酶功能 切口平移（切口平移（nick transl

6、ation）定义：如果双链定义：如果双链DNDN分子上存在分子上存在切口切口，DNADNA聚合酶聚合酶I I可以在切口处催可以在切口处催化两个反应：一个是化两个反应：一个是水解反应水解反应，从，从55端切除核苷酸；另一个是端切除核苷酸；另一个是聚聚合反应合反应，在，在33端延伸合成端延伸合成DNADNA，结果反应过程像是，结果反应过程像是切口在移动切口在移动意义意义: :在在DNADNA复制过程复制过程切除后随链冈崎片段切除后随链冈崎片段55端的端的RNARNA引物引物 在在DNADNA修复修复过程中发挥作用过程中发挥作用 （二）解链、解旋酶类（二）解链、解旋酶类1、解旋酶（、解旋酶（heli

7、case） 利用利用ATPATP供能，作用于供能，作用于氢键氢键，使，使DNADNA双链解开成为两条双链解开成为两条单链单链。Dna BDna C解链方向2、拓扑异构酶（、拓扑异构酶（topoisomerase） 双链双链DNADNA分子两股链的绕数称为分子两股链的绕数称为拓扑连环数拓扑连环数 具有相同的一级结构、不同的拓扑连环数的具有相同的一级结构、不同的拓扑连环数的DNADNA分子互为分子互为拓扑拓扑异构体异构体 拓扑异构酶通过拓扑异构酶通过改变改变DNADNA的拓扑连环数的拓扑连环数来改变其拓扑结构。来改变其拓扑结构。 解链过程中，解链过程中，DNADNA分子会过度拧紧、打结、缠分子会过

8、度拧紧、打结、缠绕、连环等现象，均需绕、连环等现象，均需DNADNA拓扑异构酶，改变拓扑异构酶，改变DNADNA分子构象，理顺分子构象，理顺DNADNA链，使复制能顺利进行链，使复制能顺利进行 拓扑异构酶作用特点：拓扑异构酶作用特点： 既能水解既能水解 、又能连接磷酸二酯键、又能连接磷酸二酯键 分类：分类： 型拓扑异构酶型拓扑异构酶 型拓扑异构酶型拓扑异构酶3、单链、单链DNA结合蛋白（结合蛋白（SSB） 维持单链稳定维持单链稳定 抑制抑制RNARNA聚合酶聚合酶（三）引物酶（三）引物酶（primase，引发酶），引发酶） 引物酶引物酶 依赖依赖DNADNA的的RNARNA聚合酶聚合酶 在模板

9、的复制起始部位催化在模板的复制起始部位催化NTPNTP的聚合的聚合, , 形形成短片段的成短片段的RNARNA。这一小段这一小段RNARNA作为复制的作为复制的引物（引物（primerprimer），），提供提供3 3 - -OHOH末端，使末端，使DNA-DNA-polpol能够催化能够催化dNTPdNTP聚合。聚合。 引发体（引发体（primosomeprimosome）：DnaGDnaG+ + DnaBDnaB 引物酶与其他和复制有关的蛋白质形成的复合物引物酶与其他和复制有关的蛋白质形成的复合物（四）（四）DNA连接酶（连接酶（DNA ligase）连接连接DNADNA链链3 3 - -

10、 OHOH末端和相邻末端和相邻DNADNA链链5 5 - - P P末端末端，使二者生成磷酸酯，使二者生成磷酸酯键键 ，从而把两段相邻的，从而把两段相邻的DNADNA链连接成完整的链（只能连接链连接成完整的链（只能连接dsDNAdsDNA上上nicknick）参与参与DNADNA复制、重组、修复复制、重组、修复ATPOH POH P二、复制过程二、复制过程 在大肠杆菌在大肠杆菌DNADNA的复制过程中，各种与复制的复制过程中，各种与复制有关的有关的酶和蛋白因子结合在复制叉酶和蛋白因子结合在复制叉上，构上，构成成复制体复制体( (replisomereplisome) ) 复制过程可以分为复制过

11、程可以分为起始、延长和终止起始、延长和终止三个三个阶段阶段 不同阶段的复制体具有不同的组成和结构不同阶段的复制体具有不同的组成和结构大肠杆菌复制原点起始复制所需蛋白质SSB解链酶解链酶引物引物引物酶引物酶拓扑异构酶拓扑异构酶打开打开DNA超螺链超螺链打开双螺旋打开双螺旋合成合成防止复螺旋防止复螺旋三、原核生物三、原核生物DNA合成抑制剂合成抑制剂一些抗生素通过抑制一些抗生素通过抑制DNADNA合成杀死原核病原体。合成杀死原核病原体。(l)(l)喹诺酮类喹诺酮类 ( (quinolonequinolone):):解旋酶和拓扑异构酶解旋酶和拓扑异构酶IVIV (2)(2)硝基呋喃类硝基呋喃类( (

12、nitrofurannitrofuran):):攻击攻击DNADNA、核糖体蛋白、核糖体蛋白、呼吸链、丙酮酸脱氢酶系呼吸链、丙酮酸脱氢酶系 (3)(3)硝基咪唑类（硝基咪唑类（nitroimidazolenitroimidazole):):还原产物与厌氧还原产物与厌氧菌菌DNADNA结合，抑制其复制与转录结合，抑制其复制与转录第三节第三节 真核生物真核生物DNA的复制的复制一、染色体一、染色体DNA（一）（一） 染色体染色体DNA 复制特点复制特点1 1复制速度慢复制速度慢 复制叉的推进速度约为复制叉的推进速度约为5Ont/s5Ont/s，仅为大肠杆菌，仅为大肠杆菌1/201/202 2发生染

13、色质解离与重塑发生染色质解离与重塑 复制叉经过核小体时需要解开核小体结构复制叉经过核小体时需要解开核小体结构; ; 经过之经过之后，要在两条子代后，要在两条子代DNADNA双链上重塑核小体结构双链上重塑核小体结构3 3多起点复制多起点复制 真核生物的染色体真核生物的染色体DNADNA有多个复制起点，同时启动复制，形成多有多个复制起点，同时启动复制，形成多复制子结构，每个复制子控制的复制区域比较小复制子结构，每个复制子控制的复制区域比较小4 4冈崎片段小冈崎片段小 真核生物真核生物150-2OOnt150-2OOnt，而大肠杆菌，而大肠杆菌1000-2000nt1000-2000nt。5 5终止

14、阶段涉及端粒合成终止阶段涉及端粒合成 真核生物的染色体真核生物的染色体DNADNA为线性结构，其末端端粒为线性结构，其末端端粒DNADNA通过特殊机制合成通过特殊机制合成6 6受受DNADNA复制检验点控制复制检验点控制 真核生物的染色体真核生物的染色体DNADNA在一个细胞周期中只复制一次在一个细胞周期中只复制一次（二）（二）DNA聚合酶聚合酶、 、 、 、 负责核负责核DNADNA的复制的复制负责线粒体负责线粒体DNADNA的复制的复制1 1，染色体，染色体DNADNA呈线状，复制在末端停止呈线状，复制在末端停止5555水解、聚合、连接水解、聚合、连接55552 2，连接不连续片段，连接不

15、连续片段（三）端粒与复制终止（三）端粒与复制终止短缺短缺短缺短缺端粒端粒（ telomere ） 真核生物染色体线性真核生物染色体线性DNADNA分子末端的结构分子末端的结构1 1、结构特点：、结构特点：1 1）由末端单链）由末端单链DNADNA序列和蛋白质构成序列和蛋白质构成 2 2）末端）末端DNADNA序列是序列是多次重复的富含多次重复的富含G G、T T碱基的短序列碱基的短序列2 2、功能、功能 1 1）维持染色体的稳定性）维持染色体的稳定性2 2）维持）维持DNADNA复制的完整性复制的完整性TTTTGGGGTTTTGGGG3 3）细胞分裂计数器）细胞分裂计数器4 4）长度反映端粒酶

16、活性）长度反映端粒酶活性端粒酶端粒酶（ telomerase） 1 1 一种一种RNA - RNA - 蛋白质的复合物蛋白质的复合物 2 2 一种一种特殊的逆转录酶特殊的逆转录酶, , 能依赖能依赖自身自身的的RNARNA为模板逆转录合成端粒为模板逆转录合成端粒DNADNA 特点：特点：功能：功能： 复制终止时，染色体线性复制终止时，染色体线性DNADNA末端确末端确有可能缩短，但通过端粒酶的作用，可以有可能缩短，但通过端粒酶的作用，可以补偿这种由除去引物引起的末端缩短。补偿这种由除去引物引起的末端缩短。二、线粒体二、线粒体DNA ( (mtDNAmtDNA) )H H链链; ; L L链链;

17、 ; 复制起点错位分布复制起点错位分布DNADNA聚合酶聚合酶催化复制催化复制不对称复制不对称复制这种复制的前期是以这种复制的前期是以新生新生L L链替换亲代链替换亲代L L链链的过程，并且的过程，并且亲代亲代L L链的游离结构形如字母链的游离结构形如字母D D，所以这种复制被形象地称为，所以这种复制被形象地称为D D环环复制复制(D-loop replication(D-loop replication）第四节第四节 病毒病毒DNA的复制的复制由基因组特征和宿主由基因组特征和宿主DNA复制系统共同决定复制系统共同决定 一、病毒一、病毒DNA：双链环状：双链环状DNA，核内由宿主细胞的复制酶系

18、统完成，核内由宿主细胞的复制酶系统完成 3-OH5-P535355533335滚环滚环复制复制rolling circle replication二、噬菌体二、噬菌体DNA第五节第五节 DNA损伤与修复损伤与修复一、一、DNA损伤损伤 稳定是相对的，变异是绝对的稳定是相对的，变异是绝对的 变异即变异即基因突变基因突变，其化学本质是，其化学本质是DNADNA损伤，是指碱基序损伤，是指碱基序列发生了列发生了可以传递给子代细胞可以传递给子代细胞的变化，这种变化通常的变化，这种变化通常导致一个基因产物功能的改变或缺失导致一个基因产物功能的改变或缺失 （一）损伤类型（一）损伤类型点突变点突变：指指DNA

19、分子上一个碱基的分子上一个碱基的变异变异 错配（错配（ 转换，颠换）转换，颠换） 一个核苷酸缺失、插入一个核苷酸缺失、插入2、插入和缺失、插入和缺失遗传信息遗传信息的改变的改变 同义突变 错义突变：导致蛋白质多肽链氨基酸序列变化。 3 3、重排、重排 是指基因组中是指基因组中DNADNA发生较大片段的交换，但不涉发生较大片段的交换，但不涉及遗传物质的丢失与获得及遗传物质的丢失与获得 重排发生在基因组中，可以在重排发生在基因组中，可以在DNADNA分子内部，也分子内部，也可以在可以在DNADNA分子之间分子之间4 4、共价交联、共价交联 胸腺嘧啶二聚体胸腺嘧啶二聚体（二）损伤因素（二）损伤因素复

20、制错误复制错误 复制滑脱复制滑脱- “- “环出环出”现象现象新生链环出会造成子二代新生链环出会造成子二代DNADNA发生插入，而模板环出会造成缺失发生插入，而模板环出会造成缺失2 2、自发性损伤、自发性损伤 3 3、物理因素：、物理因素：紫外线紫外线4 4、化学因素：、化学因素：烷化剂、碱基修饰剂（亚硝酸盐）烷化剂、碱基修饰剂（亚硝酸盐）5 5、生物因素：、生物因素：病毒病毒（三）损伤意义（三）损伤意义 突变是生物进化的分子基础突变是生物进化的分子基础 致死突变致死突变 突变是许多疾病的分子基础突变是许多疾病的分子基础二、二、DNA修复修复五种修复系统五种修复系统:错配修复错配修复直接修复直

21、接修复切除修复切除修复重组修复重组修复易错修复易错修复 DNADNA复制过程之外，精确修复复制过程之外，精确修复DNADNA复制过程之中，不完全修复复制过程之中，不完全修复（一）错配修复（一）错配修复DamDam甲基化酶使母链位于甲基化酶使母链位于5GATC5GATC序序列中列中腺苷酸甲基化腺苷酸甲基化甲基化紧随在甲基化紧随在DNADNA复制之后进行复制之后进行根据复制叉上根据复制叉上DNADNA甲基化程度，切除甲基化程度，切除尚未甲基化的子链上的错配碱基尚未甲基化的子链上的错配碱基根据母链甲基化原则找出错配碱基的示意根据母链甲基化原则找出错配碱基的示意图图发现错配碱基发现错配碱基在水解在水解

22、ATP的作用下，的作用下，MutS， MutL与碱基错配点的与碱基错配点的DNA双链结合双链结合MutS-MutL在在DNA双链上移动，发双链上移动，发现甲基化现甲基化DNA后由后由MutH切开非甲基切开非甲基化的子链化的子链（一）错配修复（一）错配修复 甲基化指导的错配修复示意图错配碱基位于切口3下游端，错配碱基位于切口5上游端，1 1、光修复（、光修复（ light repairing light repairing ）光修复酶光修复酶 UV（二）直接修复（二）直接修复2 2、烷基化碱基修复、烷基化碱基修复 一些酶识别一些酶识别DNADNA中修饰碱基中修饰碱基（三）切除修复（三）切除修复是

23、指将是指将DNADNA分子的分子的损伤片段切除损伤片段切除，然后以互补链为模，然后以互补链为模板，合成板，合成DNADNA填补缺口填补缺口，使，使DNADNA恢复正常结构恢复正常结构原核生物和真核生物都有两套切除修复系统原核生物和真核生物都有两套切除修复系统: : 核苷酸切除修复核苷酸切除修复系统系统 碱基切除修复碱基切除修复系统系统都包括两个步骤都包括两个步骤: : 由特异性核酸酶由特异性核酸酶寻找损伤部位，切除寻找损伤部位，切除损伤片段损伤片段; ; 合成合成DNADNA填补填补缺口。缺口。 UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶OHP 核苷酸切除修复核苷酸切除修复 是细胞内最重要的修

24、复机是细胞内最重要的修复机制制 ，主要由，主要由切除核酸酶切除核酸酶（UvrUvr）、DNADNA聚合酶聚合酶和连和连接酶接酶完成。完成。DNA连接酶ATPATP E.coliE.coli的切除修复机制的切除修复机制修复的对象是子代修复的对象是子代DNADNA。损伤的损伤的DNADNA先进行复制，在先进行复制，在子代子代DNADNA损伤互补的部位出损伤互补的部位出现缺口，通过分子间重组，现缺口，通过分子间重组，将另一个子代完好的片段将另一个子代完好的片段移至缺口处，再填补重组移至缺口处，再填补重组产生的缺口。产生的缺口。模板上的伤疤始终留着。模板上的伤疤始终留着。只能随着重组修复次数只能随着重

25、组修复次数，伤疤占的比例伤疤占的比例。（四）重组修复（四）重组修复DNADNA损伤严重将激活与损伤严重将激活与DNADNA修复有关的基因，这一现象称为修复有关的基因，这一现象称为SOSSOS应答应答 (SOS response)(SOS response)SOSSOS应答产生两类效应应答产生两类效应: :增加与其他修复系统有关基因的表增加与其他修复系统有关基因的表达，从而提高修复能力达，从而提高修复能力; ; 启动易错修复系统启动易错修复系统DNADNA聚合酶聚合酶IVIV和和V V都没有校对功能，只在都没有校对功能，只在SOSSOS应答后期、应答后期、DNADNA损损伤太多、复制叉因遇到伤太

26、多、复制叉因遇到DNADNA损伤而中止复制的情况下才会表损伤而中止复制的情况下才会表达。它们催化有损伤达。它们催化有损伤DNADNA模板的复制，所以称为模板的复制，所以称为跨损伤复制跨损伤复制跨损伤复制是对跨损伤复制是对DNADNA损伤过多的一种损伤过多的一种应激应答应激应答，特点是，特点是保真保真性降低，突变率大增性降低，突变率大增。虽然使复制得以进行下去，但是会形。虽然使复制得以进行下去，但是会形成较多错配，发生较多突变，所以称为成较多错配，发生较多突变，所以称为易错修复易错修复（五）易错修复（五）易错修复 DNADNA损伤的后果取决于损伤的后果取决于损伤程度损伤程度和细胞的和细胞的DNA

27、DNA修复能力修复能力。如果细胞不能修复。如果细胞不能修复DNADNA，就，就会出现基因功能异常而发生疾病会出现基因功能异常而发生疾病 (1)(1)着色性干皮病着色性干皮病 (XP)(XP) (2)(2)遗传性非息肉病性结直肠癌遗传性非息肉病性结直肠癌 (HNPCC)(HNPCC)三、三、DNADNA修复与疾病修复与疾病第六节第六节 DNA的逆转录合成的逆转录合成一、逆转录酶一、逆转录酶 逆转录酶活性逆转录酶活性 RNA RNA 指导的指导的DNADNA聚合酶聚合酶 DNA DNA 指导的指导的DNADNA聚合酶聚合酶 RNaseHRNaseH 游离游离3 3 OHOH 4 4种种NTPNTP tRNAtRNA引物引物酶作用条件酶作用条件逆转录病毒细胞内的逆转录现象逆转录病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RNARNA酶酶单链单链DNA逆转录