第30章DNA的復制和修復

本章重點介紹遺傳中心法則和DNA的半保留復制以及逆轉錄的過程和機理，對DNA的損傷和修復、突變和重組作一般介紹。

DNA是絕大多數生物體遺傳信息的載體，繼1953年Watson&Crick提出DNA雙螺旋結構模型后，1958年，Crick提出了“中心法則”(Centraldogma)揭示了遺傳信息的傳遞規律。遺傳信息傳遞的中心法則

生物的遺傳信息以密碼的形式儲存在DNA分子上，表現為特定的核苷酸排列順序。在細胞分裂的過程中，通過DNA復制把親代細胞所含的遺傳信息忠實地傳遞給兩個子代細胞。在子代細胞的生長發育過程中，這些遺傳信息通過轉錄傳遞給RNA，再由RNA通過翻譯轉變成相應的蛋白質多肽鏈上的氨基酸排列順序，由蛋白質執行各種各樣的生物學功能，使后代表現出與親代相似的遺傳特征。后來人們又發現，在宿主細胞中一些RNA病毒能以自己的RNA為模板復制出新的病毒RNA，還有一些RNA病毒能以其RNA為模板合成DNA，稱為逆轉錄這是中心法則的補充。一、DNA的復制

（一）DNA的半保留復制

DNA在復制時，兩條鏈解開分別作為模板，在DNA聚合酶的催化下按堿基互補的原則合成兩條與模板鏈互補的新鏈，以組成新的DNA分子。這樣新形成的兩個DNA分子與親代DNA分子的堿基順序完全一樣。由于子代DNA分子中一條鏈來自親代，另一條鏈是新合成的，這種復制方式稱為半保留復制。

1958年Meselson&stahl用同位素示蹤標記加密度梯度離心技術實驗,證明了DNA是采取半保留的方式進行復制.[15N]DNA[14N-15N]DNA[14N]DNA[14N-15N]DNA復制中的大腸桿菌染色體放射自顯影圖

(Caims實驗)將3H-胸苷標記大腸桿菌DNA，經過近兩代的時間，3H-胸苷摻入大腸桿菌DNA。用溶菌酶把細胞壁消化掉，使完整的大腸桿菌染色體DNA釋放出來，放射自顯影，得到上圖。非復制部分（C）銀粒子密度較低，由一股放射性鏈和一股非放射性鏈構成。已復制部分站整個染色體的三分之二，其中一條雙鏈（B

）僅有一股鏈是標記的，另外一股雙鏈（A

）的兩股鏈都是標記的，銀粒子密度為前二者的兩倍。染色體全長約為1100微米。ABC環狀DNA的復制ABC（二）DNA的復制起點

和復制方式

原核生物：單起點；DNA的雙向和單向復制環狀

DNA復制時所形成的Q結構起始點復制叉的推進復制叉起始點起始點起始點復制叉復制叉未復制DNA單向復制雙向復制真核細胞DNA復制的起點多個起點復制起點起點起點起點起點起點DNA的不同復制方式（P518，圖30-8）（三）DNA聚合反應有關的酶類（1）DNA聚合酶（2）引物酶(peimase)和引發體(primosome)：啟動RNA引物鏈的合成。（3）DNA連接酶（4）DNA解鏈酶

(5）單鏈結合蛋白（SSB)：結合在解開的DNA單鏈上，防止重新形成雙螺旋。

(6）拓撲異構酶：兼具內切酶和連接酶活力，能迅速將DNA超螺旋或雙螺旋緊張狀態變成松馳狀態，便于解鏈。解旋酶DNA聚合酶III解鏈酶RNA引物引物酶和引發體DNA聚合酶ISSB3′3′5′3′5′5′RNA引物1、DNA聚合酶5′RNA引物子鏈3′3′5′5′3′3′5′5′3′3′5′模板鏈2、大腸桿菌DNA聚合酶DNA聚合酶Ⅱ分子量每個細胞的分子統計數5′-3′聚合酶作用3′-5′核酸外切酶作用5′-3′核酸外切酶作用轉化率DNA聚合酶Ⅰ109，000400+++1120，000100++-0.05400，00010-20++-50比較項目DNA聚合酶Ⅲ切除引物修復修復復制功能

1999年發現聚合酶和，它們涉及DNA的錯誤傾向修復（erroounerepair）DNA聚合酶的3′-5′外切酶水解位點3′3′5′5′錯配堿基3′-5′核酸外切酶水解位點DNA聚合酶5′-3′外切酶活力

5′-3′核酸外切酶水解位點單鏈缺口5′大腸桿菌DNA聚合酶Ⅲ全酶的結構和功能延長因子DNA聚合酶Ⅲ兩個亞基夾住DNADNA聚合酶Ⅲ異二聚體核心酶校對引物的結合和識別促使核心酶二聚化3、連接酶Mg2+連接酶ATP或NAD＋AMP+PPi或NMN+AMPATCGPTTPPPAACCTGAPACPPPPOHTGGATCGPTTPPPAACCTGAPACPPPTGGP缺口3'3'5'5'5'5'3'3'模板鏈模板鏈（四）原核細胞DNA的半不連續復制復制過程

復制叉的移動方向解旋酶DNA聚合酶III解鏈酶RNA引物引物體DNA聚合酶ISSB3′3′5′前導鏈隨后鏈3′5′5′RNA引物3′3′（六）DNA的復制過程

復制叉的移動方向解旋酶DNA聚合酶III解鏈酶RNA引物引物體DNA聚合酶ISSB3′3′5′前導鏈后隨鏈3′5′復制的起始DNA鏈的延長DNA鏈終止5′RNA引物3′3′1、復制的起始

大腸桿菌復制起點成串排列的重復序列GATCTNTTNTTT成串排列的三個13bp序列共有序列共有序列TTATCCACA

DnaA蛋白結合位點四個9bp序列DnaADnaB(解螺旋酶)SSB大腸桿菌DNA復制起點在起始階段的結構模型聚合酶III核心酶2、復制的延伸

大腸桿菌復制體結構示意圖聚合酶I聚合酶III核心酶滯后鏈前導鏈解螺旋酶引物合成酶RNA引物引發體拓撲異構酶II-夾子-聚體-夾子-復合物RNA引物單鏈結合蛋白（SSB）3、復制的終止oric復制叉2復制叉1終止復制叉2終止復制叉1復制叉1復制叉2完成復制DNA拓撲異構酶連鎖染色體復制叉處前導鏈和隨后鏈同時合成的工作模型聚合酶III全酶引物聚合酶III全酶引物引物體引物體解旋酶解旋酶復制的忠實性

DNA復制過程是一個高度精確的過程，據估計，大腸桿菌DNA復制5109堿基對僅出現一個誤差，保證復制忠實性的原因主要有以下三點:DNA聚合酶的高度專一性（嚴格遵循堿基配對原則，但錯配率為710-6

）

DNA聚合酶的校對功能（錯配堿基被3’-5’

外切酶切除）起始時以RNA作為引物DNA聚合酶的校對功能

5′-核酸外切酶3′-核酸外切酶裂縫聚合中心裂縫內部DNA聚合酶的校對功能聚合酶錯配鹼基復制方向正確核苷酸5′5′5′3′3′3′切除錯配核苷酸起始時以RNA作為引物的作用

DNA復制為什么要合成一個RNA引物，而后又把這個引物消除呢？這是保證DNA聚合過程高度精確的又一措施。已知DNA聚合酶具有35外切酶功能校對復制過程中的核苷酸，也就是說聚合酶在開始形成一個新的磷酸二酯鍵前，總是檢查前一個堿基是否正確，這就決定了它不能從頭開始合成。因此先合成一條低忠實性的多核苷酸來開始DNA的合成，并以核糖核苷酸來表示是“暫時”的，當DNA開始聚合以后再以53外切酶的功能切除，以高忠實性的脫氧核苷酸取而代之，確保復制的忠實性。真核細胞DNA復制的特點多個起點復制起點起點起點起點起點起點真核生物的DNA聚合酶

P531端粒酶（telomerase）

DNA復制需要引物，但在線形DNA分子末端不可能通過正常的機制在引物被降解后合成相應的片段.如果沒有特殊的機制合成末端序列，染色體就會在細胞傳代中變得越來越短。這一難題是通過端粒酶的發現才得到了澄清，端粒酶是一種含RNA的蛋白復合物，實質上是一種逆轉錄酶，它能催化互補于RNA模板的DNA片段的合成，使復制以后的線形DNA分子的末端保持不變。

初步研究表明，人體中生殖細胞的端粒長度保持不變，而體細胞的端粒長度則隨個體的老化而逐步縮短。對此的一個推論是：人的生殖細胞具端粒酶的活力，體細胞則否。這一問題的解決無疑會有助于對生命衰老的認識。5′3′AAAACCCCAAAACCCCCCA端粒酶端粒合成的一種模型3′5′TTTTGGGGTTTTG5′3′AAAACCCCAAAACCCCCCAAA3′5′TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTG5′3′AAAACCCCAAAACCCCCCAAATTGGGTGGGT3′5′AATTTTG5′3′AAAACCCCAAAACCCCCCAGTTTTG整合和雜交移位和再雜交繼續延伸二

DNA的損傷與修復

某些物理化學因子，如紫外線、電離輻射和化學誘變劑等，都有引起生物突變和致死的作用，其機理是作用于DNA，造成DNA結構和功能的破壞，稱為DNA的損傷.

（一）錯配修復（二）直接修復DNA紫外線損傷的光裂合酶修復1、形成嘧啶二聚體2、光復合酶結合于損傷部位3、酶被可見光激活4、修復后酶被釋放（三）切除修復堿基丟失堿基缺陷或錯配結構缺陷切開核酸內切酶核酸外切酶切除DNA聚合酶DNA連接酶AP核酸內切酶核酸外切酶切開切除修復連接糖苷酶插入酶堿基取代（四）重組修復胸腺嘧啶二聚體復制核酸酶及重組蛋白修復復制DNA聚合酶DNA連接酶重組（五）SOS反應和易錯修復

第三節DNA的突變

DNA分子中的核苷酸序列發生突然而穩定的改變，從而導致DNA的復制以及后來的轉錄和翻譯產物隨之發生變化，表現出異常的遺傳特性，稱為DNA的突變。它包括由于DNA損傷和錯配得不到修復而引起的突變，以及由于不同DNA分子之間的交換而引起的遺傳重組。二、誘變劑的作用堿基類似物(baseanalog)

堿基修飾劑(basemodifier)嵌入染料(intercalationdye)

紫外線(ultraviolet)和電離輻射(ionizingradiation)一、突變的類型

堿基對的置換(substitution)

移碼突變(framesshiftmutation)

DNA突變的類型

-T-C-T-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-A-C-G-A-C-A-T-G-C-轉換野生型基