1、DNA的生物合成的生物合成The Central Dogma轉轉 錄錄翻翻 譯譯逆轉錄逆轉錄復復 制制第一節第一節 DNA復制的基本特征復制的基本特征一、半保留復制一、半保留復制(semiconservative replication) 當當DNADNA進行復制時，雙螺旋結構解開成兩條單鏈，各自作進行復制時，雙螺旋結構解開成兩條單鏈，各自作為模板合成與之互補的新鏈。在子代為模板合成與之互補的新鏈。在子代DNADNA雙鏈中，一條是來自雙鏈中，一條是來自于親代，另一條完全重新合成于親代，另一條完全重新合成 。 這種復制方式稱為這種復制方式稱為半保留復制半保留復制二、從復制起點雙向復制二、從復制起

2、點雙向復制1 1、復制起點（、復制起點（ori/Oori/O）有幾十甚至幾百個堿基的有幾十甚至幾百個堿基的跨度，富含跨度，富含AT2 2、復制子（、復制子（repliconreplicon）從一個復制起點引發復制的全部從一個復制起點引發復制的全部DNADNA序列序列 3 3、復制叉（、復制叉（replication forkreplication fork）復制時在解鏈點形成分叉結構復制時在解鏈點形成分叉結構 3 5 5 3 新鏈新鏈3 5 3 5 親代親代DNADNA復制方向復制方向前導鏈前導鏈 ( ( leading strand )leading strand ) 順著解鏈方向生成的子鏈

3、，其復制是連續進行的，所得順著解鏈方向生成的子鏈，其復制是連續進行的，所得到一條連續片段的子鏈。到一條連續片段的子鏈。5 53 33 3 5 5 3 3 5 5 解鏈方向解鏈方向 三、半不連續復制三、半不連續復制（semidiscontinuou replication）3 3 5 5 3 3 5 5 解鏈方向解鏈方向 復制方向與解鏈方向相反，須等待解開足夠長度的模板鏈才復制方向與解鏈方向相反，須等待解開足夠長度的模板鏈才能繼續復制能繼續復制 ，所得到一條由不連續片段組成的子鏈，所得到一條由不連續片段組成的子鏈 。 后隨鏈后隨鏈 ( ( lagging strand )lagging stra

4、nd ) 岡崎片段（岡崎片段（ Okazaki fragment Okazaki fragment ） 分段合成的后隨鏈片段分段合成的后隨鏈片段 3 35 53 33 35 5第二節第二節 原核生物原核生物DNA的復制的復制一、參與一、參與DNA復制的酶和蛋白質復制的酶和蛋白質（一）（一） DNA 聚合酶（聚合酶（DNA polymerase）其特點是其特點是: :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 ：能辨認錯配的堿基對，并將其水解（校對）能辨認錯配的堿基對，并將其水解（校對）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?大腸桿菌大腸桿菌DNADNA聚合酶功能聚合酶功能 切口平移（切口平移（nick transl

6、ation）定義：如果雙鏈定義：如果雙鏈DNDN分子上存在分子上存在切口切口，DNADNA聚合酶聚合酶I I可以在切口處催可以在切口處催化兩個反應：一個是化兩個反應：一個是水解反應水解反應，從，從55端切除核苷酸；另一個是端切除核苷酸；另一個是聚聚合反應合反應，在，在33端延伸合成端延伸合成DNADNA，結果反應過程像是，結果反應過程像是切口在移動切口在移動意義意義: :在在DNADNA復制過程復制過程切除后隨鏈岡崎片段切除后隨鏈岡崎片段55端的端的RNARNA引物引物 在在DNADNA修復修復過程中發揮作用過程中發揮作用 （二）解鏈、解旋酶類（二）解鏈、解旋酶類1、解旋酶（、解旋酶（heli

7、case） 利用利用ATPATP供能，作用于供能，作用于氫鍵氫鍵，使，使DNADNA雙鏈解開成為兩條雙鏈解開成為兩條單鏈單鏈。Dna BDna C解鏈方向2、拓撲異構酶（、拓撲異構酶（topoisomerase） 雙鏈雙鏈DNADNA分子兩股鏈的繞數稱為分子兩股鏈的繞數稱為拓撲連環數拓撲連環數 具有相同的一級結構、不同的拓撲連環數的具有相同的一級結構、不同的拓撲連環數的DNADNA分子互為分子互為拓撲拓撲異構體異構體 拓撲異構酶通過拓撲異構酶通過改變改變DNADNA的拓撲連環數的拓撲連環數來改變其拓撲結構。來改變其拓撲結構。 解鏈過程中，解鏈過程中，DNADNA分子會過度擰緊、打結、纏分子會過

8、度擰緊、打結、纏繞、連環等現象，均需繞、連環等現象，均需DNADNA拓撲異構酶，改變拓撲異構酶，改變DNADNA分子構象，理順分子構象，理順DNADNA鏈，使復制能順利進行鏈，使復制能順利進行 拓撲異構酶作用特點：拓撲異構酶作用特點： 既能水解既能水解 、又能連接磷酸二酯鍵、又能連接磷酸二酯鍵 分類：分類： 型拓撲異構酶型拓撲異構酶 型拓撲異構酶型拓撲異構酶3、單鏈、單鏈DNA結合蛋白（結合蛋白（SSB） 維持單鏈穩定維持單鏈穩定 抑制抑制RNARNA聚合酶聚合酶（三）引物酶（三）引物酶（primase，引發酶），引發酶） 引物酶引物酶 依賴依賴DNADNA的的RNARNA聚合酶聚合酶 在模板

9、的復制起始部位催化在模板的復制起始部位催化NTPNTP的聚合的聚合, , 形形成短片段的成短片段的RNARNA。這一小段這一小段RNARNA作為復制的作為復制的引物（引物（primerprimer），），提供提供3 3 - -OHOH末端，使末端，使DNA-polDNA-pol能夠催化能夠催化dNTPdNTP聚合。聚合。 引發體（引發體（primosomeprimosome）：DnaG+ DnaBDnaG+ DnaB 引物酶與其他和復制有關的蛋白質形成的復合物引物酶與其他和復制有關的蛋白質形成的復合物（四）（四）DNA連接酶（連接酶（DNA ligase）連接連接DNADNA鏈鏈3 3 - -

10、 OHOH末端和相鄰末端和相鄰DNADNA鏈鏈5 5 - - P P末端末端，使二者生成磷酸酯，使二者生成磷酸酯鍵鍵 ，從而把兩段相鄰的，從而把兩段相鄰的DNADNA鏈連接成完整的鏈（只能連接鏈連接成完整的鏈（只能連接dsDNAdsDNA上上nicknick）參與參與DNADNA復制、重組、修復復制、重組、修復ATPOH POH P二、復制過程二、復制過程 在大腸桿菌在大腸桿菌DNADNA的復制過程中，各種與復制的復制過程中，各種與復制有關的有關的酶和蛋白因子結合在復制叉酶和蛋白因子結合在復制叉上，構上，構成成復制體復制體(replisome)(replisome) 復制過程可以分為復制過程可

11、以分為起始、延長和終止起始、延長和終止三個三個階段階段 不同階段的復制體具有不同的組成和結構不同階段的復制體具有不同的組成和結構大腸桿菌復制原點起始復制所需蛋白質SSB解鏈酶解鏈酶引物引物引物酶引物酶拓撲異構酶拓撲異構酶打開打開DNA超螺鏈超螺鏈打開雙螺旋打開雙螺旋合成合成防止復螺旋防止復螺旋三、原核生物三、原核生物DNA合成抑制劑合成抑制劑一些抗生素通過抑制一些抗生素通過抑制DNADNA合成殺死原核病原體。合成殺死原核病原體。(l)(l)喹諾酮類喹諾酮類 (quinolone):(quinolone):解旋酶和拓撲異構酶解旋酶和拓撲異構酶IVIV (2)(2)硝基呋喃類硝基呋喃類(nitro

12、furan):(nitrofuran):攻擊攻擊DNADNA、核糖體蛋白、核糖體蛋白、呼吸鏈、丙酮酸脫氫酶系呼吸鏈、丙酮酸脫氫酶系 (3)(3)硝基咪唑類（硝基咪唑類（nitroimidazole):nitroimidazole):還原產物與厭氧還原產物與厭氧菌菌DNADNA結合，抑制其復制與轉錄結合，抑制其復制與轉錄第三節第三節 真核生物真核生物DNA的復制的復制一、染色體一、染色體DNA（一）（一） 染色體染色體DNA 復制特點復制特點11復制速度慢復制速度慢 復制叉的推進速度約為復制叉的推進速度約為5Ont/s5Ont/s，僅為大腸桿菌，僅為大腸桿菌1/201/2022發生染色質解離與重

13、塑發生染色質解離與重塑 復制叉經過核小體時需要解開核小體結構復制叉經過核小體時需要解開核小體結構; ; 經過經過之后，要在兩條子代之后，要在兩條子代DNADNA雙鏈上重塑核小體結構雙鏈上重塑核小體結構33多起點復制多起點復制 真核生物的染色體真核生物的染色體DNADNA有多個復制起點，同時啟動復制，形成有多個復制起點，同時啟動復制，形成多復制子結構，每個復制子控制的復制區域比較小多復制子結構，每個復制子控制的復制區域比較小44岡崎片段小岡崎片段小 真核生物真核生物150-2OOnt150-2OOnt，而大腸桿菌，而大腸桿菌1000-2000nt1000-2000nt。55終止階段涉及端粒合成終

14、止階段涉及端粒合成 真核生物的染色體真核生物的染色體DNADNA為線性結構，其末端端粒為線性結構，其末端端粒DNADNA通過特殊機制合成通過特殊機制合成66受受DNADNA復制檢驗點控制復制檢驗點控制 真核生物的染色體真核生物的染色體DNADNA在一個細胞周期中只復制一在一個細胞周期中只復制一次次（二）（二）DNA聚合酶聚合酶、 、 、 、 負責核負責核DNADNA的復制的復制負責線粒體負責線粒體DNADNA的復制的復制1 1，染色體，染色體DNADNA呈線狀，復制在末端停止呈線狀，復制在末端停止5555水解、聚合、連接水解、聚合、連接55552 2，連接不連續片段，連接不連續片段（三）端粒與

15、復制終止（三）端粒與復制終止短缺短缺短缺短缺端粒端粒（ telomere ） 真核生物染色體線性真核生物染色體線性DNADNA分子末端的結構分子末端的結構1 1、結構特點：、結構特點：1 1）由末端單鏈）由末端單鏈DNADNA序列和蛋白質構成序列和蛋白質構成 2 2）末端）末端DNADNA序列是序列是多次重復的富含多次重復的富含G G、T T堿基的短序列堿基的短序列2 2、功能、功能 1 1）維持染色體的穩定性）維持染色體的穩定性2 2）維持）維持DNADNA復制的完整性復制的完整性TTTTGGGGTTTTGGGG3 3）細胞分裂計數器）細胞分裂計數器4 4）長度反映端粒酶活性）長度反映端粒酶

16、活性端粒酶端粒酶（ telomerase） 1 1 一種一種RNA - RNA - 蛋白質的復合物蛋白質的復合物 2 2 一種一種特殊的逆轉錄酶特殊的逆轉錄酶, , 能依賴能依賴自身自身的的RNARNA為模板逆轉錄合成端粒為模板逆轉錄合成端粒DNADNA 特點：特點：功能：功能： 復制終止時，染色體線性復制終止時，染色體線性DNADNA末端確末端確有可能縮短，但通過端粒酶的作用，可以有可能縮短，但通過端粒酶的作用，可以補償這種由除去引物引起的末端縮短。補償這種由除去引物引起的末端縮短。二、線粒體二、線粒體DNA (mtDNA)(mtDNA)H H鏈鏈; ; L L鏈鏈; ; 復制起點錯位分布復

17、制起點錯位分布DNADNA聚合酶聚合酶催化復制催化復制不對稱復制不對稱復制這種復制的前期是以這種復制的前期是以新生新生L L鏈替換親代鏈替換親代L L鏈鏈的過程，并且的過程，并且親代親代L L鏈的游離結構形如字母鏈的游離結構形如字母D D，所以這種復制被形象地稱為，所以這種復制被形象地稱為D D環環復制復制(D-loop replication(D-loop replication）第四節第四節 病毒病毒DNA的復制的復制由基因組特征和宿主由基因組特征和宿主DNA復制系統共同決定復制系統共同決定 一、病毒一、病毒DNA：雙鏈環狀：雙鏈環狀DNA，核內由宿主細胞的復制酶系統完成，核內由宿主細胞的

18、復制酶系統完成 3-OH5-P535355533335滾環滾環復制復制rolling circle replication二、噬菌體二、噬菌體DNA第五節第五節 DNA損傷與修復損傷與修復一、一、DNA損傷損傷 穩定是相對的，變異是絕對的穩定是相對的，變異是絕對的 變異即變異即基因突變基因突變，其化學本質是，其化學本質是DNADNA損傷，是指堿基序損傷，是指堿基序列發生了列發生了可以傳遞給子代細胞可以傳遞給子代細胞的變化，這種變化通常的變化，這種變化通常導致一個基因產物功能的改變或缺失導致一個基因產物功能的改變或缺失 （一）損傷類型（一）損傷類型點突變點突變：指指DNA分子上一個堿基的分子上一

19、個堿基的變異變異 錯配（錯配（ 轉換，顛換）轉換，顛換） 一個核苷酸缺失、插入一個核苷酸缺失、插入2、插入和缺失、插入和缺失遺傳信息遺傳信息的改變的改變 同義突變 錯義突變：導致蛋白質多肽鏈氨基酸序列變化。 3 3、重排、重排 是指基因組中是指基因組中DNADNA發生較大片段的交換，但不涉發生較大片段的交換，但不涉及遺傳物質的丟失與獲得及遺傳物質的丟失與獲得 重排發生在基因組中，可以在重排發生在基因組中，可以在DNADNA分子內部，也分子內部，也可以在可以在DNADNA分子之間分子之間4 4、共價交聯、共價交聯 胸腺嘧啶二聚體胸腺嘧啶二聚體（二）損傷因素（二）損傷因素復制錯誤復制錯誤 復制滑脫

20、復制滑脫- “- “環出環出”現象現象新生鏈環出會造成子二代新生鏈環出會造成子二代DNADNA發生插入，而模板環出會造成缺失發生插入，而模板環出會造成缺失2 2、自發性損傷、自發性損傷 3 3、物理因素：、物理因素：紫外線紫外線4 4、化學因素：、化學因素：烷化劑、堿基修飾劑（亞硝酸鹽）烷化劑、堿基修飾劑（亞硝酸鹽）5 5、生物因素：、生物因素：病毒病毒（三）損傷意義（三）損傷意義 突變是生物進化的分子基礎突變是生物進化的分子基礎 致死突變致死突變 突變是許多疾病的分子基礎突變是許多疾病的分子基礎二、二、DNA修復修復五種修復系統五種修復系統:錯配修復錯配修復直接修復直接修復切除修復切除修復重

21、組修復重組修復易錯修復易錯修復 DNADNA復制過程之外，精確修復復制過程之外，精確修復DNADNA復制過程之中，不完全修復復制過程之中，不完全修復（一）錯配修復（一）錯配修復DamDam甲基化酶使母鏈位于甲基化酶使母鏈位于5GATC5GATC序序列中列中腺苷酸甲基化腺苷酸甲基化甲基化緊隨在甲基化緊隨在DNADNA復制之后進行復制之后進行根據復制叉上根據復制叉上DNADNA甲基化程度，切除甲基化程度，切除尚未甲基化的子鏈上的錯配堿基尚未甲基化的子鏈上的錯配堿基根據母鏈甲基化原則找出錯配堿基的示意根據母鏈甲基化原則找出錯配堿基的示意圖圖發現錯配堿基發現錯配堿基在水解在水解ATP的作用下，的作用下

22、，MutS， MutL與堿基錯配點的與堿基錯配點的DNA雙鏈結合雙鏈結合MutS-MutL在在DNA雙鏈上移動，發雙鏈上移動，發現甲基化現甲基化DNA后由后由MutH切開非甲基切開非甲基化的子鏈化的子鏈（一）錯配修復（一）錯配修復 甲基化指導的錯配修復示意圖錯配堿基位于切口3下游端，錯配堿基位于切口5上游端，1 1、光修復（、光修復（ light repairing light repairing ）光修復酶光修復酶 UV（二）直接修復（二）直接修復2 2、烷基化堿基修復、烷基化堿基修復 一些酶識別一些酶識別DNADNA中修飾堿基中修飾堿基（三）切除修復（三）切除修復是指將是指將DNADNA分

23、子的分子的損傷片段切除損傷片段切除，然后以互補鏈為模，然后以互補鏈為模板，合成板，合成DNADNA填補缺口填補缺口，使，使DNADNA恢復正常結構恢復正常結構原核生物和真核生物都有兩套切除修復系統原核生物和真核生物都有兩套切除修復系統: : 核苷酸切除修復核苷酸切除修復系統系統 堿基切除修復堿基切除修復系統系統都包括兩個步驟都包括兩個步驟: : 由特異性核酸酶由特異性核酸酶尋找損傷部位，切除尋找損傷部位，切除損傷片段損傷片段; ; 合成合成DNADNA填補填補缺口。缺口。 UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶OHP 核苷酸切除修復核苷酸切除修復 是細胞內最重要的修復機是細胞內最重要的修復

24、機制制 ，主要由，主要由切除核酸酶切除核酸酶（UvrUvr）、DNADNA聚合酶聚合酶和連和連接酶接酶完成。完成。DNA連接酶ATPATP E.coliE.coli的切除修復機制的切除修復機制修復的對象是子代修復的對象是子代DNADNA。損傷的損傷的DNADNA先進行復制，在先進行復制，在子代子代DNADNA損傷互補的部位出損傷互補的部位出現缺口，通過分子間重組，現缺口，通過分子間重組，將另一個子代完好的片段將另一個子代完好的片段移至缺口處，再填補重組移至缺口處，再填補重組產生的缺口。產生的缺口。模板上的傷疤始終留著。模板上的傷疤始終留著。只能隨著重組修復次數只能隨著重組修復次數，傷疤占的比例

25、傷疤占的比例。（四）重組修復（四）重組修復DNADNA損傷嚴重將激活與損傷嚴重將激活與DNADNA修復有關的基因，這一現象稱為修復有關的基因，這一現象稱為SOSSOS應答應答 (SOS response)(SOS response)SOSSOS應答產生兩類效應應答產生兩類效應: :增加與其他修復系統有關基因的表增加與其他修復系統有關基因的表達，從而提高修復能力達，從而提高修復能力; ; 啟動易錯修復系統啟動易錯修復系統DNADNA聚合酶聚合酶IVIV和和V V都沒有校對功能，只在都沒有校對功能，只在SOSSOS應答后期、應答后期、DNADNA損損傷太多、復制叉因遇到傷太多、復制叉因遇到DNAD

26、NA損傷而中止復制的情況下才會表損傷而中止復制的情況下才會表達。它們催化有損傷達。它們催化有損傷DNADNA模板的復制，所以稱為模板的復制，所以稱為跨損傷復制跨損傷復制跨損傷復制是對跨損傷復制是對DNADNA損傷過多的一種損傷過多的一種應激應答應激應答，特點是，特點是保真保真性降低，突變率大增性降低，突變率大增。雖然使復制得以進行下去，但是會形。雖然使復制得以進行下去，但是會形成較多錯配，發生較多突變，所以稱為成較多錯配，發生較多突變，所以稱為易錯修復易錯修復（五）易錯修復（五）易錯修復 DNADNA損傷的后果取決于損傷的后果取決于損傷程度損傷程度和細胞的和細胞的DNADNA修復能力修復能力。

27、如果細胞不能修復。如果細胞不能修復DNADNA，就，就會出現基因功能異常而發生疾病會出現基因功能異常而發生疾病 (1)(1)著色性干皮病著色性干皮病 (XP)(XP) (2)(2)遺傳性非息肉病性結直腸癌遺傳性非息肉病性結直腸癌 (HNPCC)(HNPCC)三、三、DNADNA修復與疾病修復與疾病第六節第六節 DNA的逆轉錄合成的逆轉錄合成一、逆轉錄酶一、逆轉錄酶 逆轉錄酶活性逆轉錄酶活性 RNA RNA 指導的指導的DNADNA聚合酶聚合酶 DNA DNA 指導的指導的DNADNA聚合酶聚合酶 RNaseHRNaseH 游離游離3 3 OHOH 4 4種種NTPNTP tRNAtRNA引物引物酶作用條件酶作用條件逆轉錄病毒細胞內的逆轉錄現象逆轉錄病毒細胞內的逆轉錄現象： RNA 模板模板逆轉錄酶逆轉錄酶DNA-RNA 雜化雙鏈雜化雙鏈RNARNA酶酶單鏈單鏈DNA逆轉錄