遗传信息传递从到

遗传信息传递从到4.1

DNA复制概述4.2原核生物和真核生物DNA的复制特点4.3

DNA的损伤与修复4.4基因突变4.5DNA重组4.6

DNA的转座4.7真核生物中的转座子第2页,共97页，2024年2月25日，星期天4.1DNA复制概述原核生物每个细胞只含有一条染色体；真核生物每个细胞常含有多条染色体。在细胞增殖周期的一定阶段，整个染色体组都将发生精确的复制，随后以染色体为单位把复制的基因组通过细胞分裂分配到两个子代细胞中去。第3页,共97页，2024年2月25日，星期天染色体DNA的复制与细胞分裂之间存在着密切的联系。关于染色体复制与细胞分裂的协同作用，目前有两个假说。第4页,共97页，2024年2月25日，星期天一个假说认为，细胞开始分裂前，染色体复制一圈后，细胞等了一段时间，也许在染色体复制过程中产生某种信号，激发了细胞分裂，但这种信号至今也没有得到证明；第5页,共97页，2024年2月25日，星期天第二种假说认为，染色体在复制一圈后细胞迅速开始分裂，如果染色体在复制过程中出现了某种差错，复制就要延迟，在染色体完成复制以前，细胞不会分裂。按照第二种假说，只要染色体复制成功，两个子细胞就应该各获得一条完整的染色体DNA。第6页,共97页，2024年2月25日，星期天染色体外的遗传因子，包括细菌的质粒、真核生物的细胞器以及细胞内共生或寄生的生物DNA。它们的复制或是受染色体复制的控制，而与染色体复制同步；或是不受其控制，在细胞增殖周期中随时进行复制。第7页,共97页，2024年2月25日，星期天质粒在细胞内的复制一般有两种类型：控制型(Stringentcontrol)和松驰控制型(Relaxedcontrol)。第8页,共97页，2024年2月25日，星期天前者只在细胞周期的一定阶段进行复制，当染色体不复制时，它也不能复制，通常每个细胞内只含有1个或几个质粒分子，如F因子。后者的质粒在整个细胞周期中随时可以复制，在每个细胞中有许多拷贝，一般在20个以上，如ColE1质粒。第9页,共97页，2024年2月25日，星期天在使用蛋白质合成抑制剂-氯霉素时，细胞内蛋白质合成、染色体DNA复制和细胞分裂均受到抑制。紧密型质粒复制停止，而松驰型质粒继续复制，质粒拷贝数可由原来20多个扩增至1000-3000个，此时质粒DNA占总DNA的含量可由原来的2%增加至40-50%。第10页,共97页，2024年2月25日，星期天同一复制系统的不同质粒不能在同一宿主细胞中共同存在，当两种质粒同时导入同一细胞时，它们在复制及随后分配到子细胞的过程中彼此竞争。在一些细胞中，一种质粒占优势，而在另一些细胞中另一种质粒却占上风。第11页,共97页，2024年2月25日，星期天当细胞生长几代后，占少数的质粒将会丢失，因而在细胞后代中只有两种质粒的一种，这种现象称质粒的不相容性(Incompatibility)。但利用不同复制系统的质粒则可以稳定地共存于同一宿主细胞中。第12页,共97页，2024年2月25日，星期天DNA是遗传信息的载体，在合成DNA时，决定其结构特异性的遗传信息只能来自其本身，因此，必须以原来存在的分子模板来合成新的分子。第13页,共97页，2024年2月25日，星期天生命的遗传实际上是染色体DNA自我复制的结果。染色体DNA的自我复制是半保留复制，以亲代DNA分子为模板合成子代DNA。细胞分裂时，通过DNA准确地自我复制(self-replication)，亲代细胞所含的遗传信息就原原本本地传送到子代细胞。第14页,共97页，2024年2月25日，星期天亲代DNA以自身分子为模板合成新的新的互补链，每个子代分子的一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的，这种方式称为半保留复制。第15页,共97页，2024年2月25日，星期天4.2原核生物和真核生物DNA的复制特点4.2.1原核生物DNA的复制过程4.2.2原核与真核生物DNA的复制异同第16页,共97页，2024年2月25日，星期天4.3DNA的损伤与修复由于染色体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有着特别重要的意义。第17页,共97页，2024年2月25日，星期天4.3.1DNA损伤：指在生命过程中DNA双螺旋结构发生的任何改变。单个碱基改变双螺旋结构的异常扭曲（链内T二聚体、单链缺口、凸起等）第18页,共97页，2024年2月25日，星期天4.3.1.1DNA分子自发性损伤

复制过程中的损伤指碱基配对时产生的误差，经过DNA聚合酶“矫正”和单链结合蛋白等综合校对因素作用下仍未被矫正的DNA的损伤。第19页,共97页，2024年2月25日，星期天互变异构指DNA分子中四种碱基自发地使氢原子改变位置，产生互变异构体，进一步使碱基配对的方式发生改变，这样在复制后的子链上就可能出现错误。A------A’------CA—T就变成G—CA—I—C(非T)下一轮C—G导致AT—GC引起突变C—U–A(非G)下一轮A—T导致GC—AT引起突变

第20页,共97页，2024年2月25日，星期天脱氨作用亚硝酸盐C—U–A(非G)下一轮A—T导致GC—AT引起突变

第21页,共97页，2024年2月25日，星期天活性氧引起的诱变活性氧为氧分子电子数大于O2的O2可与

C、A配对，DNA聚合酶不能矫正其错误，造成GC—TA。第22页,共97页，2024年2月25日，星期天4.3.1.2物理因素引起的损伤

紫外线(UV)照射引起的DNA损伤主要是形成嘧啶二聚体。

ATTCGAGTTAGCTAAGCTCAATCG第23页,共97页，2024年2月25日，星期天4.3.1.3化学因素引起的损伤烷化剂对DNA的损伤当烷化剂和DNA作用时，可以将烷基加到核酸的碱基上去。结果是形成链内或链间铰链。

第24页,共97页，2024年2月25日，星期天碱基类似物对DNA的损伤是一类结构与碱基相似的人工化合物，5-BU与U结构类似，酮式能与A配对，烯醇式能与G配对。结果引起A-T----G-C转变。第25页,共97页，2024年2月25日，星期天4.3.2DNA的修复修复是生物机体细胞在长期进化中形成的一种保护功能，在遗传信息传递的稳定性方面具有重要作用。第26页,共97页，2024年2月25日，星期天切除修复错配修复直接修复重组修复易错修复和SOS应急反应第27页,共97页，2024年2月25日，星期天4.3.2.1切除修复4.3.2.1.1碱基切除修复所有细胞中都带有能识别受损核酸位点的*糖苷水解酶，它能特异性切除受损核苷酸上的N-β－糖苷键，在DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶位点（AP位点）。DNA分子中一旦产生了AP位点，*AP核酸内切酶就会把受损核苷酸的糖苷-磷酸键切开，并移去包括AP位点核苷酸在内的小片段DNA，由DNA聚合酶I合成新的片段，最终由*DNA连接酶把两者连成新的被修复的DNA链→碱基切除修复(base-excisionrepair)。第28页,共97页，2024年2月25日，星期天第29页,共97页，2024年2月25日，星期天4.3.2.1.1核苷酸切除修复当DNA链上相应位置的核苷酸发生损伤，导致双链之间无法形成氢键，则由核苷酸切除修复(nucleotide-excisionrepair)系统负责修复。第30页,共97页，2024年2月25日，星期天损伤发生后，首先由DNA切割酶(exci-nuclease)在己损伤的核苷酸5’和3’位分别切开磷酸糖苷键，产生一个由12～13个核苷酸(原核生物)或27～29个核苷酸(人类或其他高等真核生物)的小片段，移去小片段后由DNA聚合酶Ⅰ(原核)或ε（真核)合成新的片段，并由DNA连接酶完成修复中的最后一道工序。第31页,共97页，2024年2月25日，星期天第32页,共97页，2024年2月25日，星期天4.3.2.2错配修复(mismatchrepair)错配修复可以将DNA子链中的错配几乎完全能被修复。该系统识别母链靠Dam甲基化酶，它能使位于5’GATC序列中A的N6位甲基化。一旦复制叉通过复制起始位点，母链就会在开始DNA合成前的一小点时间（几秒钟至几分钟）内被甲基化。第33页,共97页，2024年2月25日，星期天此后，只要两条DNA链上碱基配对出现错误，错配修复系统就会根据“保存母链，修正子链”的原则，找出错误碱基所在的DNA链，并在对应于母链甲基化腺苷酸上游G的5'位置切开子链。第34页,共97页，2024年2月25日，星期天第35页,共97页，2024年2月25日，星期天第36页,共97页，2024年2月25日，星期天4.3.2.3直接修复(directrepair)生物体内还存在多种DNA损伤以后直接修复(directrepair)，不需要切除碱基或核苷酸的机制。两个例子：1、在DNA光解酶(Photolyase)的作用下把在光下或经紫外光照射形成的环丁烷胸腺嘧啶二体及6-4光化物(6-4photoproduct)还原成为单体的过程。2、生物体内还广泛存在着使06-甲基鸟嘌呤脱甲基化的甲基转移酶，以防止形成G-T配对。第37页,共97页，2024年2月25日，星期天第38页,共97页，2024年2月25日，星期天第39页,共97页，2024年2月25日，星期天4.3.2.4重组修复(recombinationrepair)

切除修复发生在下一轮DNA复制前，又称复制前修复。肌体细胞对在复制起始时尚未修复的DNA损伤部位可以先复制再修复，这种方式称为重组修复。

这个过程发生在复制后，又称复制后修复。第40页,共97页，2024年2月25日，星期天复制重组再合成第41页,共97页，2024年2月25日，星期天重组修复机制的缺陷，有可能导致肿瘤发生。已经发现，妇女Brca1和Brca2两个基因如果有缺陷，发生乳腺癌的概率为80%。

第42页,共97页，2024年2月25日，星期天4.3.2.5易错修复和SOS应急反应许多能造成DNA损伤或抑制DNA复制的过程能引起一系列复杂的诱导效应，这种效应称为应急反应(SOSresponse)。SOS包括诱导DNA损伤修复、诱变效应、细胞分裂的抑制以及溶源性细菌释放噬菌体等，细胞癌变也与SOS反应有关。第43页,共97页，2024年2月25日，星期天SOS反应是细胞DNA受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，细胞为求生存而产生的一种应急措施。SOS反应诱导的修复系统包括：避免差错的修复（errorfreerepair）和易产生差错的修复（errorpronerepair）两类。第44页,共97页，2024年2月25日，星期天错配修复、直接修复、切除修复和重组修复都能够识别DNA的损伤部位或错配碱基而加以消除，在这些修复过程中不引入错误碱基，属于避免差错的修复。第45页,共97页，2024年2月25日，星期天由于SOS反应还能诱导产生缺乏校对功能的DNA聚合酶，所以在DNA链的损伤部位即使出现不配对碱基，复制也能继续进行，以保证细胞的存活，叫易产差错的修复。第46页,共97页，2024年2月25日，星期天SOS反应可诱导产生DNA聚合酶Ⅳ和Ⅴ，它们不具有3’核酸外切酶的校正功能，但在DNA链的损伤部位即使出现不配对的碱基，仍然能催化核苷酸的聚合，使复制继续进行，这种情况下允许错配可增加细胞存活的机会。第47页,共97页，2024年2月25日，星期天SOS反应可使细菌细胞的分裂受到抑制，结果形成丝状体。其生理意义是在DNA复制受到阻碍的情况下避免因细胞分裂而产生不含DNA的细胞，或者使细胞有更多进行重组和修复的机会。第48页,共97页，2024年2月25日，星期天SOS反应广泛存在于原核和真核生物，它是生物体在不利环境中求得生存的一种基本功能。主要包括两方面的内容：①DNA的修复；②导致变异。第49页,共97页，2024年2月25日，星期天4.4基因突变作为遗传物质的DNA有三个主要功能：①通过复制和分裂将遗传物质由亲代传给子代；②通过转录使遗传信息在子代得以表达；③通过变异在自然选择中获得新的遗传信息。第50页,共97页，2024年2月25日，星期天基因突变(mutation)：是在基因内的遗传物质发生可遗传的结构和数量的变化，通常产生一定的表型。广义的突变包括染色体畸变和基因突变。遗传重组也导致可遗传的变异，因此，染色体畸变、基因突变、遗传重组是可遗传变异的基础。第51页,共97页，2024年2月25日，星期天4.4.1基因突变的类型1、碱基对置换：指DNA错配对碱基在复制后被固定下来，由原来的一个碱基对被另一个碱基对所取代，又称为点突变。碱基对置换有转换和颠换两种。2、插入突变：指在基因的序列中插入了一个碱基或一段外来DNA导致的突变。包括同义突变、错义突变和无意突变。第52页,共97页，2024年2月25日，星期天突变热点：是指DNA分子上任意位点发生突变的频率并不相等，在某些位点发生突变的频率远远高于其平均数，成为突变热点。第53页,共97页，2024年2月25日，星期天4.4.2诱变剂的作用在自然条件下发生的突变称为自发突变。自发突变的频率很低，约10-10左右。能够提高突变率的物理或化学因子称为诱变剂(mutagen)。①碱基类似物：5-BU与T结构相似；②碱基修饰剂：亚硝酸；③嵌合染料(EB)；④紫外线和电离辐射第54页,共97页，2024年2月25日，星期天4.4.3基因突变的主要后果生物功能丧失获得新功能癌症发生第55页,共97页，2024年2月25日，星期天

4.5DNA的重组DNA分子内或分子间发生遗传信息的重新组合，成为遗传重组或基因重组。重组产物称为重组体DNA(recombinantDNA)。真核生物基因组间重组多发生在减数分裂时同源染色体之间的交换。细菌及噬菌体的基因组为单倍体，来自不同亲代两组DNA之间可通过多种形式进行遗传重组。第56页,共97页，2024年2月25日，星期天有了突变和重组，才能产生遗传变异，然后才有遗传漂变和自然选择，才有进化。所以，遗传变异是生物进化的基础。第57页,共97页，2024年2月25日，星期天遗传变异的根本原因是突变。然而突变的机率很低，且多数是有害的。如果生物只有突变没有重组，在积累具有选择优势突变的同时不可避免地积累许多难以摆脱的不利突变。有利突变随不利突变一起被淘汰，新的优良基因就不可能出现。DNA重组对生物进化起着关键性的作用。第58页,共97页，2024年2月25日，星期天4.5.1同源重组同源重组(homologousrecombination)：由两条同源区的DNA分子，通过配对、链断裂和再连接，而产生的片段间交换的过程。Holliday模型详见书本图和遗传学教材第59页,共97页，2024年2月25日，星期天4.5.2细菌的基因转移与重组细菌的基因转移主要有四种机制：接合(conjugation)、转化(transformation)、转导(transduction)和细胞融合（cellfusion）。第60页,共97页，2024年2月25日，星期天①细菌的接合细菌的细胞相互接触时遗传信息可由一个细胞转移到另一细胞，称为接合作用。供体细胞为雄性，受体为雌性。通过接合而转移DNA的能力由接合质粒提供，与接合功能有关的蛋白质均由接合质粒所编码。能够促使染色体基因转移的接合质粒称为致育因子(fertilityfactor，F因子)。第61页,共97页，2024年2月25日，星期天大肠杆菌F因子是双链闭环的大质粒，总长约100kb，复制起点为oriV。F因子可以在细胞内游离存在(F+)，也可以整合到宿主染色体内(Hfr)。整合F因子的大肠杆菌菌株具有较高频率的重组(high-frequencyrecombination)，称为Hfr菌株。F因子可以整合在染色体不同位置，由此而得到不同的Hfr菌株。第62页,共97页，2024年2月25日，星期天②细菌的遗传转化遗传转化(genetictransformation)是指细菌品系由于吸收了外源DNA而发生遗传性状的改变现象。第63页,共97页，2024年2月25日，星期天感受态细胞（competentcell）：受体细胞经过一些特殊方法（如电击、CaCl2）处理后，细胞膜的通透性发生了暂时性改变，成为能允许外源DNA分子进入的状态。第64页,共97页，2024年2月25日，星期天③细菌的转导转导(transduction)：是通过噬菌体将基因从供体转移到受体细胞的过程。④细菌的细胞融合由细胞质膜融合导致的基因转移和重组。在实验室中用溶菌酶除去细菌细胞壁的肽聚糖，使其成为原生质体，可人工促进原生质体融合，由此使两菌株的DNA发生广泛的重组。第65页,共97页，2024年2月25日，星期天4.6DNA的转座转座子（transposon）：是在基因组中可以移动的一段DNA序列。一个转座子由基因组的一个位置转移到另一个位置的过程称为转座或移位(transposition)。本质是由转座子（可移位因子）介导的遗传物质重排现象。第66页,共97页，2024年2月25日，星期天转座子是一些较短的DNA序列，可以转移到细胞基因组的任何位置。由于它不需要序列间具有同源性，也不是位点特异性的，所以转座作用又被称为异常重组。第67页,共97页，2024年2月25日，星期天与DNA的同源重组相比，转座作用发生的频率要低得多。转座作用能说明在细菌中发现的许多基因缺失或倒转现象，而且它常被用于构建新的突变体。第68页,共97页，2024年2月25日，星期天转座作用的特点①能从基因组的一个位点转移到另一个位点（又称跳跃基因）；②不以独立形式存在；③转座子编码自身的转座酶；④转座的频率很低；⑤转座作用可引起基因表达内容的改变甚至失活。第69页,共97页，2024年2月25日，星期天转座可分为复制性和非复制性两大类。在复制性转座中，整个转座子被复制，所移动和转位的是原转座子的拷贝。转座酶和解离酶分别作用于原始转座子和复制转座子。

第70页,共97页，2024年2月25日，星期天在非复制性转座中，原始转座子作为一个可移动的实体直接被移位。第71页,共97页，2024年2月25日，星期天4.6.1转座子的分类和结构特征转座子(transposon，Tn)：是存在于染色体DNA上可自主位移（非复制性）和复制（复制性）的基本单位。第72页,共97页，2024年2月25日，星期天1、IS序列最简单的转座子只含有与转座有关的酶基因，不含有任何宿主基因（包括抗药性基因），常被称为插入序列(insertionalSequence，IS)。

IS序列都是可以独立存在的单元，带有介导自身移动的蛋白。第73页,共97页，2024年2月25日，星期天转座子常常被定位到特定的基因中，造成该基因突变。科学上用标准命名法对这些突变进行编号，如λ::IS1表示有一个IS1的序列插入到噬菌体λ基因组内。第74页,共97页，2024年2月25日，星期天表2-13IS序列的结构特征比较长度/bp两端倒置重复区/bp靶位点正向重复区/bp靶位点IS1IS2IS4IS5IS10RIS50RIS90376813271428119513291531105723411816229189511或124999随机有热点AAAN20TTT有热点NGCTNAGCN有热点未知第75页,共97页，2024年2月25日，星期天它们都是很小的DNA片段(约lkb)，末端具有倒置重复序列，转座时往往复制宿主靶位点一小段(4～15bp)DNA，形成位于IS序列两端的正向重复区。第76页,共97页，2024年2月25日，星期天第77页,共97页，2024年2月25日，星期天2、复合型转座子复合型转座子(compositetransposon)：是一类除了转座酶基因之外，还带有抗药性基因(或其他宿主基因)的转座子。因结构大而复杂，故称为复合转座子。第78页,共97页，2024年2月25日，星期天其两翼往往是两个相同或高度同源的IS序列，表明IS序列插入到某个功能基因两端时就可能产生复合转座子(图2-32)。Ⅰ型：第79页,共97页，2024年2月25日，星期天图2-32第80页,共97页，2024年2月25日，星期天一旦形成复合转座子，IS序列就不能再单独移动，因为它们的功能被修饰了，只有作为复合体移动。第81页,共97页，2024年2月25日，星期天

Ⅱ型主要指TnA家族:没有IS序列、体积庞大(5000bp以上)、带有3个基因，其中一个编码β-内酰胺酶(AmpR)，另两个则是转座作用所必须的。这类转座子两翼带有38bp的倒置重复序列。第82页,共97页，2024年2月25日，星期天第83页,共97页，2024年2月25日，星期天复合型转座子的特点①末端反向重复序列，为转座酶所必须；②中间的开放阅读框架（ORF）作为标记基因；③转位后靶位点成为正向重复序列。第84页,共97页，2024年2月25日，星期天4.6.2转座作用的机制转座时发生的插入作用的普遍特征是受体分子中有一段很短的(3～l2bp)、被称为靶序列的DNA会被复制，使插入的转座子位于两个重复的靶序列之间。对于一个特定的转座子来说，它所复制的靶序列长度是一样的，如IS1两翼总有9个碱基对的靶序列，而Tn3两端总有5bp的靶序列。靶序列的复制起源于特定内切酶所造成的粘性DNA末端。第85页,共97页，2024年2月25日，星期天第86页,共97页，2024年2月25日，星期天4.6.3转座作用的遗传学效应(1)转座引起插入突变各种IS、Tn都可以引起插入突变。如果插入位于某操纵子的前半部分，就可能造成极性突变，导致该操纵子后半部分结构基因表达失活;(2)转座产生新的基因如果转座子上带有抗药性基因，它一方面造成靶DNA序列上的插入突变，同时也使这个位点产生抗药性;第87页,共97页，2024年2月25日，星期天

(3)影响插入位置邻近基因的表达，使宿主表型改变;(4)转座产生的染色体畸变;若同源重组发生在两个正向重复转座区之间，就导致宿主染色体DNA缺失；若重组发生在两个反向重复转座区之间，则引起染色体DNA倒位。第88页,共97页，2024年2月2