第二章 染色体与DNA

第二章染色体与DNA第一页，共一百五十七页，2022年，8月28日分子生物学研究已经证实，DNA控制了生物的性状遗传。第二页，共一百五十七页，2022年，8月28日核酸的发现和研究工作进展•1868年FridrichMiescher从脓细胞中提取“核素”•1944年Avery等人证实DNA是遗传物质•1953年Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构•1968年Nirenberg发现遗传密码•1975年Temin和Baltimore发现逆转录酶•1981年Gilbert和Sanger建立DNA测序方法•1985年Mullis发明PCR技术•1990年美国启动人类基因组计划(HGP)•1994年中国人类基因组计划启动•2001年美、英等国完成人类基因组计划基本框架第三页，共一百五十七页，2022年，8月28日主要内容：1、染色体2、DNA的结构3、DNA的复制4、原核和真核生物DNA的复制特点5、DNA的修复6、DNA的转座第四页，共一百五十七页，2022年，8月28日无论DNA或RNA，都是由许许多多个核苷酸连接而成的生物大分子，而每个核苷酸又由磷酸、核糖和碱基3部分组成。HOOCH2NNH2O

1N

1´

OHOH碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）OOPOHHOOCH2NNNH2O

OHOH核苷(脱氧核苷)和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸(脱氧核苷酸)第五页，共一百五十七页，2022年，8月28日腺嘌呤鸟嘌呤

嘌呤嘧啶胞嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶组成DNA和RNA分子的五种 含氮碱基的结构式第六页，共一百五十七页，2022年，8月28日2.1染色体染色体—遗传物质的主要载体染色体在遗传上起着主要作用,因为亲代能够将自己的遗传物质以染色体（chromosome）的形式传给子代，保持了物种的稳定性和连续性。第七页，共一百五十七页，2022年，8月28日Inthefirstphaseofmitosisthechromatinfiberscondenseintochromosomes.

Thenucleusofanondividingcell(interphase)isfilledwithadiffusematerialcalledChromatin,socalledbecauseearlymicroscopistsfoundthatitstainedbrightlywithcertaindyes.摘自:Lehninger,3rd,p35第八页，共一百五十七页，2022年，8月28日染色体包括：DNA和蛋白质两大部分。同一物种内每条染色体所带DNA的量是一定的，但不同染色体或不同物种之间变化很大。第九页，共一百五十七页，2022年，8月28日第十页，共一百五十七页，2022年，8月28日Genomesize:thelengthofDNAassociatedwithonehaploidcomplementofchromosomesGenenumber:thenumberofgenesincludedinagenomeGenedensity:theaveragenumberofgenesperMbofgenomicDNA基因组与生物体的复杂性第十一页，共一百五十七页，2022年，8月28日第十二页，共一百五十七页，2022年，8月28日人类基因组各条染色体中碱基对数量 和推导的功能基因数量对照染色体编号

1

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11长度（Mbp)

220

240 200 186 182 172 146 146 113 130 132估计的基因数

3453

2954 2427 1861 2136 2257 1831 1560 1537 1653 2185第十三页，共一百五十七页，2022年，8月28日染色体编号

12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

X Y

总长长度（Mbp) 134 99 87 80 75 78 79 58 61 33 36

128 19

2907估计的基因数

1861 1032 1283 1198 1421 1545 826 1675 986 449 835

1465 210

39114第十四页，共一百五十七页，2022年，8月28日染色体的特征作为遗传物质，染色体具有如下特征：①分子结构相对稳定；②能够自我复制，使亲子代之间保持连续性；③能够指导蛋白质的合成，从而控制整个生命过程；④能够产生可遗传的变异。第十五页，共一百五十七页，2022年，8月28日着丝粒位置英文名称形状分裂中期分裂后期

中间 偏上靠近末端

末端

Metacentric CentromereSubmetacentric

P-arm

Acrocentric

q-arm

Telocentric染色体的分类Theshorterarm,byconvention,isshownabovethecentromereandiscalledtheparm(petite),whilethelongerarmiscalledtheqarm.第十六页，共一百五十七页，2022年，8月28日2.1.2真核细胞染色体的组成由核酸和蛋白质组成：•DNA•蛋白质•RNA（尚未完成转录而仍与模板DNA相连接的，其含量不到DNA的10%）第十七页，共一百五十七页，2022年，8月28日2.1.2.1蛋白质染色体蛋白主要分为组蛋白和非组蛋白两类。HistonesareconservedDNA-bindingproteinsofeukaryotesthatformthenucleosome,thebasicsubunitofchromatin.第十八页，共一百五十七页，2022年，8月28日组蛋白是染色体的结构蛋白：有H1、H2A、H2B、H3及H4五种，与DNA共同组成核小体。组蛋白第十九页，共一百五十七页，2022年，8月28日Thecorehistonesshareacommon structuralfold(1)(2)第二十页，共一百五十七页，2022年，8月28日种类相对分子质量氨基酸 数目分离难 易度保守性染色质中比例染色质中位置H

121000223易不保守0.5接头HA

214500129较难较保守1核心HB

213800125较难较保守1核心H

315300135最难最保守1核心H

411300102最难最保守1核心真核细胞染色体上的组蛋白成分分析第二十一页，共一百五十七页，2022年，8月28日组蛋白的特性•进化上的极端保守性•无组织特异性•肽链上氨基酸分布的不对称性碱性氨基酸分布在N端；疏水基团在C端•存在较普遍的修饰作用甲基化、乙酰化、磷酸化等第二十二页，共一百五十七页，2022年，8月28日非组蛋白约为蛋白总量的60%～70%，可能有20～100种(常见的有15～20种)。•主要包括酶类(RNA聚合酶)、与细胞分裂有关的蛋白。•它们也可能是染色质的结构部分。非组蛋白第二十三页，共一百五十七页，2022年，8月28日非组蛋白•HMG蛋白(Highmobilitygroupprotein)能与DNA结合但不牢固，也能与H1作用；可能与DNA的超螺旋结构有关。•DNA结合蛋白相对分子量较低，占非组蛋白的20％，染色质的8％；可能与DNA的复制、转录、修复和重组有关。第二十四页，共一百五十七页，2022年，8月28日2.1.2.2.DNA真核细胞基因组的最大特点是它含有大量的重复序列，而且功能DNA序列大多被不编码蛋白质的非功能DNA所隔开。第二十五页，共一百五十七页，2022年，8月28日•C值（C-value）：通常是指一种生物单倍体基因组DNA的总量。

在真核生物中，C值一般是随生物进化而增加的，高等生物的C值一般大于低等生物。第二十六页，共一百五十七页，2022年，8月28日各种生物细胞内DNA总量的比较第二十七页，共一百五十七页，2022年，8月28日C值反常现象（C-valueparadox）

C值往往与种系进化的复杂程度不一致，某些低等生物却具有较大的C值。第二十八页，共一百五十七页，2022年，8月28日碱基组成重复次数占DNA总量（%）基因类型不重复序列750～20001~几个10%~80%结构基因中度重复序列

1410～1010%~40%rRNA,tRNA,组蛋白基因高度重复序列6~100数百万次10%~60%卫星DNA真核细胞DNA序列可被分为3类第二十九页，共一百五十七页，2022年，8月28日2.1.2.3染色质和核小体由DNA和组蛋白组成的染色质纤维细丝是许多核小体连成的念珠状结构。电镜下看到的染色质结构第三十页，共一百五十七页，2022年，8月28日实验证据：

1、染色质DNA的Tm值比自由DNA高，说明在染色质中DNA极可能与蛋白质分子相互作用。2、在染色质状态下，由DNA聚合酶和RNA聚合酶催化的DNA复制和转录活性大大低于在自由DNA中的反应。第三十一页，共一百五十七页，2022年，8月28日实验证据：3、DNA酶I（DNaseI）对染色质DNA的消化远远慢于对纯DNA的作用。4、用小球菌核酸酶处理染色质以后进行电泳，便可以得到一系列片段，这些被保留的DNA片段均为200bp基本单位的倍数。第三十二页，共一百五十七页，2022年，8月28日Nucleosomes:regularassociationofDNAwithhistonestoformastructureeffectivelycompactingDNA第三十三页，共一百五十七页，2022年，8月28日146bpDNA+Histoneoctamer(组蛋白八聚体)→Nucleosomecore(核小体核心)+H1→Chromatosome(染色小体166bp)+linkerDNA→Nucleosome(核小体)(~200bpofDNA)Nucleosome(核小体)是染色质的基本结构单位，由~200bpDNA和组蛋白八聚体组成第三十四页，共一百五十七页，2022年，8月28日NucleosomecoreHistoneoctamer(组蛋白八聚体)TopviewSideview第三十五页，共一百五十七页，2022年，8月28日核小体结构示意图核心颗粒包括组蛋白八聚体及与其结合的146bpDNA，该序列绕在八聚体外面1.75圈，每圈约80bp。由许多核小体构成了连续的染色质DNA细丝。第三十六页，共一百五十七页，2022年，8月28日Howdoesthehigher-order chromatinstructureform?第三十七页，共一百五十七页，2022年，8月28日(1)HistoneH1bindstothelinkerDNAbetweennucleosome,inducingtighterDNAwrappingaroundthenucleosome第三十八页，共一百五十七页，2022年，8月28日(40-foldcompaction)

(2)Nucleararrayscanformmorecomplex structures:the30-nmfiber(“zigzagmodel”)•30nmfibershave6nucleosomes/turn,organizedintoasolenoid.•HistoneH1isrequiredforformationofthe30nmfiber.•Thisfiberisthebasicconstituentofbothinterphasechromatinandmitoticchromosomes.第三十九页，共一百五十七页，2022年，8月28日Higher-orderchromatinstructure(3)FurthercompactionofDNAinvolveslargeloopsofnucleosomalDNAAdditional103-104-foldcompactionisrequired,butthemechanismisunclearThenuclearscaffoldmodelisproposed第四十页，共一百五十七页，2022年，8月28日Thehigher-orderstructureofchromatin.第四十一页，共一百五十七页，2022年，8月28日FromDNAtochromosomeShortregionofDNAdoublehelix“Beadsonastring”

formofChormatin 30-nmchromatinfiber ofpackednucleosomes Sectionofchromosome inanextendedformCondensedsectionofMetaphasechromosome Entiremetaphase chromosome第四十二页，共一百五十七页，2022年，8月28日宽度增加长度压缩第一级DNA+组蛋 白核小体5倍7倍第二级核小体螺线管3倍6倍第三级螺线管超螺旋13倍40倍第四级超螺旋染色体2.5-5倍5倍500-1000

倍8400倍

(8000- 10000)染色体形成过程中长度与宽度的变化第四十三页，共一百五十七页，2022年，8月28日TheimportanceofpackingofDNAintochromosomesChromosomeisacompactformoftheDNAthatreadilyfitsinsidethecellToprotectDNAfromdamageDNAinachromosomecanbetransmittedefficientlytobothdaughtercellsduringcelldivisionChromosomeconfersanoverallorganizationtoeachmoleculeofDNA,whichfacilitatesgeneexpressionaswellasrecombination第四十四页，共一百五十七页，2022年，8月28日2.1.3原核生物基因组

原核生物的基因组很小，大多只有一条染色体，且DNA含量少.如大肠杆菌DNA的相对分子质量仅为4.6×106bp，其完全伸展总长约为1.3mm，含4000多个基因。第四十五页，共一百五十七页，2022年，8月28日•原核生物基因主要是单拷贝基因，只有很少数基因〔如rRNA基因〕以多拷贝形式存在；•整个染色体DNA几乎全部由功能基因与调控序列所组成；•几乎每个基因序列都与它所编码的蛋白质序列呈线性对应状态。第四十六页，共一百五十七页，2022年，8月28日大肠杆菌细胞中基因组DNA的电镜显微照片

细菌DNA是一条相对 分子量在109左右的共价、闭合双链分子，通常也称为染色体。箭头处为环状质粒DNA.。第四十七页，共一百五十七页，2022年，8月28日原核细胞DNA特点•结构简炼•存在转录单元•有重叠基因第四十八页，共一百五十七页，2022年，8月28日原核细胞DNA特点：1、结构简炼

原核DNA分子的绝大部分是用来编码蛋白质的，只有很小一部分控制基因表达的序列不转录。这些不转录DNA序列通常是控制基因表达的序列。第四十九页，共一百五十七页，2022年，8月28日2、存在转录单元

原核生物DNA序列中功能相关的RNA和蛋白质基因，往往丛集在基因组的一个或几个特定部位，形成转录单元,并转录产生含多个mRNA的分子，称为多顺反子mRNA。第五十页，共一百五十七页，2022年，8月28日3、有重叠基因一些细菌和动物病毒存在重叠基因：同一段DNA能携带两种不同蛋白质的信息。第五十一页，共一百五十七页，2022年，8月28日1977年，Sanger正式发现了重叠基因：•ΦX174感染寄主后共合成9个蛋白质--分子量约2.5×105--6,078个核苷酸，•而病毒DNA本身只有5375个核苷酸。•Sanger发现9个基因中有些是重叠的：

1、一个基因完全在另一个基因里面；

2、部分重叠；3、两个基因只有一个碱基对的重叠。第五十二页，共一百五十七页，2022年，8月28日2.2DNA的结构•一级结构•二级结构•三级结构第五十三页，共一百五十七页，2022年，8月28日•指4种核苷酸的连接及其排列顺序，表示了该DNA分子的化学构成。•许多个脱氧核苷酸经3’-5’磷酸二酯键聚合而成为DNA链。

DNA的一级结构5′端3′端C A G第五十四页，共一百五十七页，2022年，8月28日组成DNA分子的碱基只有4种：胸腺嘧啶（T）胞嘧啶（C）腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）第五十五页，共一百五十七页，2022年，8月28日碱基核苷核苷酸RNADNA

腺嘌呤(adenine)

腺苷(adenosine)

腺苷酸(adenylicacid)AMPdAMP

鸟嘌呤(guanine)

鸟苷(guanosine)

鸟苷酸(guanylicacid)GMPdGMP

胞嘧啶(cytosine)

胞苷(cytidine)

胞苷酸(cytidylicacid)CMPdCMP胸腺嘧啶(thymine)

胸苷(thymidine)

胸苷酸(thymidylic acid)dTMP尿嘧啶(uracil)

尿苷(uridine)

尿苷酸(uridylicacid)UMP碱基、核苷和核苷酸碱基与糖的结合物称为核苷，如果再与一个磷酸脂基相连则形成核苷酸第五十六页，共一百五十七页，2022年，8月28日多聚核苷酸链中新生磷酸糖苷键的产生过程单核苷酸5’-磷酸基团向核酸链的3’-OH发起进攻5’-NTP是核酸合成的前体第五十七页，共一百五十七页，2022年，8月28日DNA的二级结构•指两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构。第五十八页，共一百五十七页，2022年，8月28日碱基互补配对原则:在DNA分子中，嘌呤永远与嘧啶配对，腺嘌呤（A）=胸腺嘧啶（T）鸟嘌呤（G）=胞嘧啶（C）第五十九页，共一百五十七页，2022年，8月28日DNAdoublehelix(DNA双螺旋结构)1.X-光衍射实验数据表明

DNA是一种规则螺旋结 构。1953，Watson和Crick基于三个方面的发现,提出了DNA双螺旋模型：2.DNA密度测量说明这种螺旋结构应有两条链。3.不论碱基数目多少，G的含量总是与C一样，而A与T也是一样的。第六十页，共一百五十七页，2022年，8月28日

RosalindE. Franklin 1920-1958

“THEDARKLADYOFDNA”RosalindE.Franklin对DNA晶体结构的研究为Wilkins的获奖奠定了基础。第六十一页，共一百五十七页，2022年，8月28日1、DNA是由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成的。DNA链的基本特点2、DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧，构成基本骨

架，碱基排列在内侧。3、两条链上的碱基通过氢键相结合，形成碱基对。第六十二页，共一百五十七页，2022年，8月28日Width20Å

MinorGroove(12nm) Major Groove (22nm)

3.4Å Pitch 34Å10.4bp/turnDNA的反向平行双螺旋结构

Rise第六十三页，共一百五十七页，2022年，8月28日A-，B-，Z-型DNA三种结构比较第六十四页，共一百五十七页，2022年，8月28日双螺旋碱基倾角 （度）碱基间距 （nm）螺旋直径 （nm）每轮碱基 数螺旋方向A-DNA200.262.611右B-DNA60.342.010右Z-DNA70.371.812左不同螺旋形式DNA分子主要参数比较第六十五页，共一百五十七页，2022年，8月28日第六十六页，共一百五十七页，2022年，8月28日右手螺旋DNA:1.B-DNA:A-T丰富的DNA片段2.A-DNA(对基因表达有重要意义）

a.DNA-RNA(处于转录状态的DNA)b.RNA-RNA(dsRNA)第六十七页，共一百五十七页，2022年，8月28日DNA左手螺旋——Z-DNA的研究

1979年，Rich提出左手螺旋Z-DNA结构。它是右手螺旋结构模型的一个补充和发展。B-DNA是最常见的DNA构象，A-DNA和Z-DNA可能具有不同的生物活性。第六十八页，共一百五十七页，2022年，8月28日

DNA的高级结构

DNA的高级结构是指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。

超螺旋结构是DNA高级结构的主要形式，可分为正超螺旋与负超螺旋两大类，它们在特殊情况下可以相互转变，如：拓扑异构酶拓扑异构酶溴乙锭负超螺旋

溴乙锭松驰DNA正超螺旋第六十九页，共一百五十七页，2022年，8月28日

研究细菌质粒DNA时发现，天然状态下该DNA以负超螺旋为主，稍被破坏即出现开环结构，两条链均断开则呈线性结构。在电场作用下，相同分子质量的超螺旋DNA迁移率>线性DNA迁移率>开环的DNA迁移率，以此可判断质粒结构是否被破坏。第七十页，共一百五十七页，2022年，8月28日Summary•染色体的主要成分：DNA和蛋白质（组蛋白、非组蛋白）。•Nucleosome(核小体)是染色质的基本结构单位。•DNA的结构一级结构：4种核苷酸的连接及其排列顺序。二级结构：反向平行双螺旋。三级结构：超螺旋。•遗传物质的主要载体是染色体。第七十一页，共一百五十七页，2022年，8月28日原核生物DNA的复制第七十二页，共一百五十七页，2022年，8月28日In1963,JohnCairns’Technique:GrewE.coliin3HthymidineWaitedtillcellswereinthemiddleofreplicationLysedthecellsveryverygentlySpreadthelysateonanEMgridExposedthegridtoX-rayfilmforTWOmonths.ReplicationoftheE.colichromosome第七十三页，共一百五十七页，2022年，8月28日WhatCairns’experiment(1963)showed:E.colihasacircularchromosome.E.colihasasingleoriginofreplication.InE.coli,replicationandunwindingaresimultaneous.第七十四页，共一百五十七页，2022年，8月28日WhatCairnsdidnotshow:•

IsreplicationUNIdirectionalorBIdirectional?第七十五页，共一百五十七页，2022年，8月28日BidirectionalReplication(双向复制)第七十六页，共一百五十七页，2022年，8月28日无论是原核生物还是真核生物，DNA的复制主要是从固定的起始点以双向等速复制方式进行的。复制叉以DNA分子上某一特定顺序为起点，向两个方向等速生长前进。

BidirectionalReplication(双向复制)起始点复制叉复制叉第七十七页，共一百五十七页，2022年，8月28日DNASynthesis由于DNA双螺旋的两条链是反向平行的，因此两个模板极性不同。所有已知DNA聚合酶的合成方向都是5’→3’，第七十八页，共一百五十七页，2022年，8月28日为了解释DNA的等速复制现象,日本学者冈崎(Okazaki)等提出了DNA的半不连续复制模型(semi-discontinuousreplication)

.第七十九页，共一百五十七页，2022年，8月28日半不连续复制Semi-discontinuousreplication

冈崎片段OkazakifragmentLeadingstrandLaggingstrandReplicationfork前导链的连续复制和滞后链的不连续复制在生物界是有普遍性的，因而称之为DNA的半不连续复制。第八十页，共一百五十七页，2022年，8月28日1、用3H脱氧胸苷短时间标记后提取DNA，得到不少平均长度为2-3kbDNA片段。2、用DNA连接酶温度敏感突变株进行实验，在连接酶不起作用的温度下，有大量小片段累积，说明复制过程中至少有一条链首先合成较短的片段，然后再生成大分子DNA。[3H]Thymidinepulse-chaselabelingandalkalinesucrosegradient:discoveryofsemi-discontinousreplication第八十一页，共一百五十七页，2022年，8月28日DNA的半不连续复制

（semi-discontinuousreplication）第八十二页，共一百五十七页，2022年，8月28日TheshortdiscontinuoussegmentsarecalledOkazakiFragments.

•Inbacteriatheyareapproximately1000ntinlength;ineukaryotestheyareapproximately200ntinlength.第八十三页，共一百五十七页，2022年，8月28日亲代DNA分子为模板四种脱氧三磷酸核苷(dNTP)为底物提供3’-OH末端的引物多种酶及蛋白质

DNA拓扑异构酶、DNA解链酶、单链结合蛋白、引物酶、DNA聚合酶、RNA酶以及DNA连接酶等DNA复制的体系第八十四页，共一百五十七页，2022年，8月28日DNA复制的基本过程复制的起始(initiation)DNA链的延伸(elongation)复制的终止(termination)第八十五页，共一百五十七页，2022年，8月28日1.DNA复制的起始复制起始原点DNA双螺旋的解旋复制的引发

第八十六页，共一百五十七页，2022年，8月28日大肠杆菌(E.coli)的OriC

复制原点大肠杆菌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245bp,称为oriC。第八十七页，共一百五十七页，2022年，8月28日参与DNA复制起始和引发的蛋白质DNA解旋酶(DNAhelicase)

催化DNA双链的解链过程。单链DNA结合蛋白(singlestrandDNAbindingprotein)：以四聚体形式存在于复制叉处，只保持单链的存在，并不能起解链作用。DNA拓扑异构酶(DNAtopoisomerase)

消除DNA双链的超螺旋堆积。引物酶(primase)

合成一小段RNA引物，为DNA新链的合成提供3’-OH末端。第八十八页，共一百五十七页，2022年，8月28日DNAhelicasesseparatethetwostrandsofthedoublehelixDNA双螺旋的解旋第八十九页，共一百五十七页，2022年，8月28日BindingofSSBtoDNAinhibitstheformationofintramolecularbasepairsDNA双螺旋的解旋第九十页，共一百五十七页，2022年，8月28日ActionoftopoisomeraseatthereplicationforkTopoisomeraserapidlyremovethepositivesupercoilsaccumulateinfrontofthereplicationfork.第九十一页，共一百五十七页，2022年，8月28日DNA聚合酶只能延长已存在的DNA链，而不能从头合成DNA链，那么，新DNA的复制是怎样开始的呢？第九十二页，共一百五十七页，2022年，8月28日DNApolymeraserequiresa3’-OHend

toinitiatereplicationThe3’–OHendiscalledaprimer.第九十三页，共一百五十七页，2022年，8月28日Aprimerisashortsequence(oftenofRNA)thatispairedwithonestrandofDNAandprovidesafree3’-OHendatwhichaDNApolymerasestartssynthesisofadeoxyribonucleotidechain.TheprimaseisatypeofRNApolymerasethatsynthesizesshortsegmentsofRNAthatwillbeusedasprimersforDNAreplication.第九十四页，共一百五十七页，2022年，8月28日SubstratesrequiredforDNAsynthesis第九十五页，共一百五十七页，2022年，8月28日由大肠杆菌oriC复制起始点处引发的DNA复制过程大约20个DnaA蛋白在ATP的作用下与oriC处的4个9bp保守序列相结合。在Hu蛋白和ATP的共同作用下，DnaA复制起始复合物使3x13bp直接重复序列变形，形成开链。DnaB（解链酶）六体分别与单链DNA相结合（需要DnaC的帮助）进一步解开DNA双链。与引物结合，起始DNA复制。↓↓↓第九十六页，共一百五十七页，2022年，8月28日DNA链的延伸需要的蛋白质:DNA聚合酶滑动夹（SlidingDNAclamp）RNA酶(RNaseH等)

在复制完成后切除RNA引物。DNA连接酶(DNAligase)

通过生成3’5’-磷酸二酯键连接两条DNA链。2.DNA链的延伸第九十七页，共一百五十七页，2022年，8月28日DNApolymeraseuseasingleactivesite

to

catalyzeDNAsynthesisDNApolymeraseboundtoaprimer:templatejunctionpalm第九十八页，共一百五十七页，2022年，8月28日Processivity(持续合成能力)Processivityisacharacteristicofenzymesthatoperateonpolymericsubstrates.ForDNApolymerase,thedegreeofprocessivityisdefinedastheaveragenumberofnucleotidesaddedeachtimetheenzymebindsaprimer:templatejunction(afew~50,000).

第九十九页，共一百五十七页，2022年，8月28日Structure

ofaslidingDNAclampSlidingDNAclampsencirclethenewlyreplicatedDNAproducedbyanassociatedDNApolymerase.第一百页，共一百五十七页，2022年，8月28日SlidingclampsdramaticallyincreaseDNApolymeraseprocessivity(持续合成能力)第一百零一页，共一百五十七页，2022年，8月28日Thecompositionofthe

DNAPolIIIholoenzymeThreeenzymes:TwocopiesoftheDNAPolIIIcoreenzymeOnecopyoftheγ-complex第一百零二页，共一百五十七页，2022年，8月28日The“trombone”modelforcoordinatingreplicationbytwoDNApolymeraseattheE.colireplicationfork第一百零三页，共一百五十七页，2022年，8月28日Stepsinthesynthesisofthelaggingstrand第一百零四页，共一百五十七页，2022年，8月28日RemovalofRNAprimersfromnewlysynthesizedDNARNAseHremovesalloftheRNAprimerexcepttheribonucleotidedirectlylinkedtotheDNAend.Anexonucleaseremovesthefinalribonucleotide.DNApolymerasefillsthegap,leavingaabreakinthebackbonebetweenthe3’OHand5’phosphateoftherepairedstrand.DNAligaserepairesthis“nick”.第一百零五页，共一百五十七页，2022年，8月28日当复制叉前移，遇到20bp重复性终止子序列(Ter)时，Ter-Tus复合物能阻挡复制叉的继续前移，等到相反方向的复制叉到达后在DNA拓扑异构酶IV的作用下使复制叉解体，释放子链DNA。

ter3.复制的终止第一百零六页，共一百五十七页，2022年，8月28日原核生物DNA的复制特点OriginTerminusDaughterDNA

structure细菌染色体的复制是作为一个单位从唯一的复制起点开始，双向进行的。第一百零七页，共一百五十七页，2022年，8月28日DNA聚合酶大肠杆菌中主要有DNA聚合酶I、II、III

、IV和V。第一百零八页，共一百五十七页，2022年，8月28日ArthurKornbergDiscoveredanenzymeinE.colithatcouldcatalysethesynthesisofDNA•HecalleditDNAPolymerase•NowknownasDNApolymeraseI1959-NobelprizeinPhysiologyorMedicine第一百零九页，共一百五十七页，2022年，8月28日DNA聚合酶I(codedbypolA)不是复制大肠杆菌染色体的主要聚合酶，它有3’→5’核酸外切酶活性,保证了DNA复制的准确性。DNAPolymeraseI它的5’→3’核酸外切酶活性也可用来除去冈崎片段5'端RNA引物，使冈崎片段间缺口消失，保证连接酶将片段连接起来。第一百一十页，共一百五十七页，2022年，8月28日DNA聚合酶II(codedbypolB)的活性很低，只有DNA聚合酶I的5%，所以也不是复制中主要的酶。生理功能主要是起修复DNA的作用。DNAPolymeraseII第一百一十一页，共一百五十七页，2022年，8月28日DNA聚合酶III(codedbypolC)包含有7种不同的亚单位和9个亚基，其生物活性形式为二聚体。Coreenzyme&holoenzymeDNAPolymeraseIII它的聚合活性较强，为DNA聚合酶I的15倍，聚合酶II的300倍。它能在引物的3’—OH上以每分钟约5万个核苷酸的速率延长新生的DNA链，是大肠杆菌DNA复制中链延长反应的主导聚合酶。第一百一十二页，共一百五十七页，2022年，8月28日DNAPolymeraseIIITheholoenzymeconsistsof:Thecoreenzyme–α,ε,θTheslidingclamp-Theclamploadercomplex–γχδδ’ψAprocessivityswitch-τ第一百一十三页，共一百五十七页，2022年，8月28日DNA聚合酶I(DNA损伤的修复）DNA聚合酶I、II、III(aproofreadingactivity)DNA聚合酶III第一百一十四页，共一百五十七页，2022年，8月28日DNA聚合酶IV和V分别由dinB和umuD’2C基因编码，主要在SOS修复过程中发挥功能。DNAPolymeraseIV&V第一百一十五页，共一百五十七页，2022年，8月28日1、都以dNTP为底物。2、都需要Mg2+激活。3、聚合时必须有模板链和具有3’-OH末端的引物链。4、链的延伸都方向为5'→3'。DNA聚合酶的共同点：第一百一十六页，共一百五十七页，2022年，8月28日真核生物DNA的复制第一百一十七页，共一百五十七页，2022年，8月28日真核生物DNA的复制特点有多处复制起始点；在全部完成复制之前，各个起始点上DNA的复制不能再开始；DNA复制只在S期进行。复制子相对较小，为40-100千碱基对。第一百一十八页，共一百五十七页，2022年，8月28日真核生物DNA的复制子被称为ARS(autonomouslyreplicatingsequences)，长约150bp左右，包括数个复制起始必需的保守区。真核生物DNA复制的起始需要起始点识别复合物（originrecognitioncomplex，ORC）参与，ORC结合于ARS，它是由6种蛋白质组成的启动复合物。第一百一十九页，共一百五十七页，2022年，8月28日真核生物DNA复制叉的移动速度大约只有50bp/秒。因此，人类DNA中每隔30,000-300,000bp就有一个复制起始位点。第一百二十页，共一百五十七页，2022年，8月28日已发现的真核生物DNA聚合酶有15种以上。在哺乳动物细胞中主要有5种DNA聚合酶，分别称为DNA聚合酶α、β、γ、δ和ε。第一百二十一页，共一百五十七页，2022年，8月28日真核生物DNA聚合酶的特性比较性质DNA聚合酶αDNA聚合酶βDNA聚合酶γDNA聚合酶δDNA聚合酶ε亚基数4122-3≥1在细胞内分布核内核内线粒体核内核内(?)功能DNA引物合成损伤修复线粒体DNA复制主要DNA复制酶DNA复制(?)3'→5'外切无无有有有5'→3'外切无无无无无

第一百二十二页，共一百五十七页，2022年，8月28日DNA聚合酶α主要参与引物合成。DNA聚合酶β活性水平稳定，主要在DNA损伤的修复中起作用。DNA聚合酶δ主要负责DNA的复制。DNA聚合酶ε与后随链合成有关，在DNA合成过程中核苷切除以及碱基的切除修复中起着重要的作用。DNA聚合酶在线粒体DNA的复制中发挥作用。第一百二十三页，共一百五十七页，2022年，8月28日真核生物中还存在、、和等几种DNA聚合酶，它们承担着修复损伤的功能，但这些修复酶的忠实性都很低。第一百二十四页，共一百五十七页，2022年，8月28日KeyConcepts·Areplicationforkhas1complexofDNApolymeraseα/primaseand2complexesofDNApolymeraseδand/orε.·TheDNApolymeraseα/primasecomplexinitiatesthesynthesisofbothDNAstrands.·DNApolymeraseδelongatestheleadingstrandandasecondDNApolymeraseδorDNApolymeraseεelongatesthelaggingstrand.第一百二十五页，共一百五十七页，2022年，8月28日复制的几种主要方式环状DNA双链的复制

(1)θ型

(2)滚环型(rollingcircle)(3)D-环型(D-loop)第一百二十六页，共一百五十七页，2022年，8月28日大肠杆菌质粒DNA双向复制的模式与实验验证。左：θ形复制模式图；右：3H标记质粒DNA合成图。环状DNA双链的复制-θ型第一百二十七页，共一百五十七页，2022年，8月28日环状DNA可以通过滚环式复制产生多单元单链DNA双链环状DNA复制起始于某一条DNA链上新生DNA链延伸，不断取代母链复制一圈，产生单位长度的线性DNA链若复制继续进行，可产生多单元线性DNA链单向复制的特殊方式ФX174的双链DNA复制型(RF)第一百二十八页，共一百五十七页，2022年，8月28日滚环式复制第一百二十九页，共一百五十七页，2022年，8月28日首先在动物线粒体中被发现。

一条短RNA与一条DNA互补，取代了该区域原来的互补的DNA链，使得两条链的合成高度不对称，一条链上迅速合成出互补链，另一条链则为游离的单环。Dloops单向复制的特殊方式第一百三十页，共一百五十七页，2022年，8月28日DNA修复

(DNARepair)第一百三十一页，共一百五十七页，2022年，8月28日

Mutation

ReplicationFidelity(复制的精确性)MutagensMutagenesis(诱变)（突变）(诱变剂)MutationMutation:Permanent,heritablealterationsinthebasesequenceofDNA.第一百三十二页，共一百五十七页，2022年，8月28日Thesubstitutionmutation(替换突变)

Transition(转换):Purineorpyrimidineisreplacedbytheother.Transversion(颠换):

apurineisreplacedbyapyrimidineorviceverse.无义突变错义突变沉默突变第一百三十三页，共一百五十七页，2022年，8月28日DeletionorInsertion

（缺失或插入）TheeliminationoradditionofoneormorenucleotidesinaDNAregion.

Itmaycause

frameshift(移码突变)

producinga

non-functionalprotein.

第一百三十四页，共一百五十七页，2022年，8月28日Realexamplesofdeletionmutationswhichcausediseases

InCFTRgeneInCFTRgeneInFIXgeneInAPCgene囊性纤维跨膜电导调节因子凝血因子IX9号结肠腺癌性息肉第一百三十五页，共一百五十七页，2022年，8月28日SeriousConsequencesofInsertionMutation第一百三十六页，共一百五十七页，2022年，8月28日Replicationfidelity(复制的精确性)MutationrelevantSpontaneouserrorsinDNAreplicationisveryrare,oneerrorper1010baseinE.coli,whichismuchlessthantheerrorthatDNApolymeraseIIIintroduced.

ImportantforpreservethegeneticinformationfromonegenerationtothenextThisincreasedaccuracyinvivoislargelyduetotheproofreadingfunctionofE.coliDNApolymerases第一百三十七页，共一百五十七页，2022年，8月28日Proofreadingreferstoanymechanismforcorrectingerrorsinproteinornucleicacidsynthesisthatinvolvesscrutinyofindividualunitsaftertheyhavebeenaddedtothechain.第一百三十八页，共一百五十七页，2022年，8月28日ExperimentaldemonstrationoftheproofreadingfunctionofE.coliDNApolymeraseI.

ProofreadingfunctionofE.coliDNApolymerases

[SeeA.KornbergandT.A.Baker,1992,DNAReplication,2ded.,W.H.FreemanandCompany.]第一百三十九页，共一百五十七页，2022年，8月28日ProofreadingfunctionofE.coliDNApolymerases

WhenanincorrectbaseisincorporatedduringDNAsynthesis,thepolymerasepauses,thentransfersthe3’

endofthegrowingchaintotheexonucleasesitewherethemispairedbaseisremoved.Thenthe3’

endflipsbackintothepolymerasesite,wherethisregioniscopiedcorrectly.第一百四十页，共一百五十七页，2022年，8月28日ProofreadingplayacriticalroleinmaintainingsequencefidelityduringreplicationE.coliDNApolymeraseI(3’→5’exonucleaseactivity)andDNApolymeraseIII(εsubunitofthecorepolymerase)haveproofreadingactivity.Inanimalcells,bothoftheδandεDNApolymerases,butnottheαpolymerase,haveproofreadingactivity.第一百四十一页，共一百五十七页，2022年，8月28日由于染色体DNA在生命过程中占有至高无上的地位，DNA复制的准确性以及DNA日常保养中的损伤修复就有着特别重要的意义。

DNA的修复(DNARepair)第一百四十二页，共一百五十七页，2022年，8月28日大肠杆菌中DNA的修复系统DNA修复系统功能错配修复(mismatchrepair)修复错配切除修复(碱基、核苷酸切除修复)（Base-excisionrepair）(