生物化学课件第十二章 DNA的生物合成.ppt

1、 DNADNA的生物合成的生物合成 遗遗传学的中心法则传学的中心法则DNA复制复制 亲代双链亲代双链DNADNA分子在分子在DNADNA聚合酶的作用聚合酶的作用下，分别以每条单链下，分别以每条单链 DNADNA分子为模板，聚分子为模板，聚合与自身碱基可以互补配对的游离的合与自身碱基可以互补配对的游离的dNTP,dNTP, 合成出两条与亲代合成出两条与亲代DNADNA分子完全相同的子分子完全相同的子代代DNADNA分子的过程。分子的过程。 复制的基本规律复制的基本规律（一）DNA的半保留复制1、半保留复制假说的提出： 1953年，Watson & Crick在DNA双螺旋基础上提出。Matthe

2、w Meselson and Franklin Stahl more recentlyFaculty member at HarvardMechanisms of Molecular EvolutionFaculty member at U. of OregonMeiotic RecombinationTesting Models for DNA replicationMeselson and Stahl (1958)Density labeling experiment on E. coli (bacterial) DNABacterial culture15NH4Cl(Sole N sou

3、rce)Grow for several generationsBacterial culturewith dense DNAThis is the starting material for the experimentMeselson and Stahl (continued)Harvest cells and resuspend in media with14NH4Cl as the sole N sourceBacterial culturewith dense DNAGrow for 1 generationHarvest some cells“1st generation”Grow

4、 for another generationHarvest some cells“2nd generation”Grow for another generationetcFor each generation isolate the DNA and spin through a density (CsCl) gradient).Detect DNA in the gradient (eg by UV absorption)Monitor how many DNA bands there are after each generationBacterial culture“0 generat

5、ion”14NH4Cl原核生物：原核生物： 基因组是环状基因组是环状DNA 只有一只有一个复制起始点个复制起始点 复制时，复制时，DNA从起始点从起始点(origin)向两个向两个方向解链，形成两个延伸相反的复制叉，方向解链，形成两个延伸相反的复制叉，称为称为双向复制双向复制。二、双向复制二、双向复制 复制时双链打开，分开成两股，各自复制时双链打开，分开成两股，各自作为模板，子链沿模板延长所形成的作为模板，子链沿模板延长所形成的Y字字形的结构称为形的结构称为复制叉复制叉(replication fork) 。35535353复复制制方方向向 在原核生物双向复在原核生物双向复制中，制中，DNA被

6、描述为被描述为眼睛眼睛状。为说明方便状。为说明方便而做的图为而做的图为 形。形。复制中的放射自显影图象复制中的放射自显影图象真核生物：真核生物： 染色体染色体DNA有有多个复制起始点多个复制起始点。 两个起始点之间的两个起始点之间的DNA片段称为片段称为复制复制子子(replicon)。 复制子是独立完成复制的功能单位。复制子是独立完成复制的功能单位。真核生物多个复制起始点、复制子与复制叉真核生物多个复制起始点、复制子与复制叉真核生物的多复制子复制电镜图真核生物的多复制子复制电镜图3 5 3 5 3 5 3 5 解链方向解链方向领头链领头链(leading strand)随从链随从链(lagg

7、ing strand)三、复制的半不连续性三、复制的半不连续性3 5 顺着解链方向生成的子链，复制是连续顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的这股链称为进行的这股链称为领头链领头链。 另一股链因为复制的方向与解链方向相另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，这股反，不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称为不连续复制的链称为随从链随从链。 领头链连续复制而随从链不连续复制，领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制的就是复制的半不连续性半不连续性。冈崎片段：冈崎片段： 1968年日本生化学者冈崎用电镜及放射年日本生化学者冈崎用电镜及放射自显影技术，观察到自显影技

8、术，观察到DNA复制中出现复制中出现一些一些不连续的片段不连续的片段，将这些不连续的片，将这些不连续的片段称为段称为冈崎片段冈崎片段。 原核生物原核生物: : 10002000个核苷酸个核苷酸 真核生物真核生物: : 100200个核苷酸个核苷酸半不连续复制动画半不连续复制动画 第二节第二节 DNA DNA 复制的酶学和拓扑学变化复制的酶学和拓扑学变化DNA复制的体系复制的体系 底物底物: : dNTP (dATP、dGTP 、dCTP 、dTTP) 聚合酶聚合酶: 依赖依赖DNA的的DNA聚合酶聚合酶(DNA-pol) 模板模板: 解开成单链的解开成单链的DNA母链母链 引物引物: : 提供

9、提供3-OH末端的寡核苷酸末端的寡核苷酸 其他酶和蛋白质因子其他酶和蛋白质因子: : 拓扑异构酶、解螺旋酶、单拓扑异构酶、解螺旋酶、单链链DNA结合蛋白结合蛋白、引物酶、连接酶引物酶、连接酶一、复制的化学反应一、复制的化学反应 (dNMP)n + dNTP (dNMP)n+1 + PPi 聚合反应的特点聚合反应的特点DNA 新链生成需新链生成需引物引物和和模板模板； 新链的延长只可沿新链的延长只可沿5 3 方向进行方向进行 。二、二、DNA聚合酶聚合酶全称：全称：依赖依赖DNA的的DNA聚合酶聚合酶 (DNA-dependent DNA polymerase)简称：简称：DNA-pol活性：活

10、性：1. 53 的聚合活性的聚合活性 2. 核酸外切酶活性核酸外切酶活性原核生物原核生物DNA pol： E.coli DNA 聚合酶聚合酶: DNA pol I DNA pol II DNA pol III DNA pol IV DNA pol VDNA pol IArthur Kornberg (1958)Currently a faculty member at Stanford School of MedicinepolA gene928aa,102KD单一肽链单一肽链400分子分子/cell多功能酶多功能酶 3 to 5 exonuclease activity 5 to 3 exo

11、nuclease activity 5 to 3 DNA polymerizing activity323个氨基酸个氨基酸小片段小片段5 核酸外切酶活性核酸外切酶活性大片段大片段/Klenow 片段片段 604个氨基酸个氨基酸DNA聚合酶活性聚合酶活性 5 核酸外切酶活性核酸外切酶活性N 端端C 端端木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶DNA-pol Klenow片段是实验室合成片段是实验室合成DNA，进行分子生物进行分子生物学研究中常用的工具酶。学研究中常用的工具酶。 Klenow fragment 具有校对作用具有校对作用Proofreading function53核酸外切酶活性核酸外切酶活性切口（缺刻

12、）平移切口（缺刻）平移nick translation* gap fill-in5 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 3 5 外切酶活性外切酶活性 5 3 外切酶活性外切酶活性?能切除引物和突变的能切除引物和突变的 DNA片段。片段。能辨认错配的碱基对，并将其水解。能辨认错配的碱基对，并将其水解。 核酸外切酶活性核酸外切酶活性 功能功能：校读，校读，去除去除RNA引物，填补空隙，引物，填补空隙，参与参与DNA损伤修复损伤修复。DNA-pol DNA Polymer

13、ase I is great, but. 1969年，年，Paula Delucia和和John Cairns分离得到的分离得到的E.coli突变菌株突变菌株polA-，其，其DNA pol的活性只有正常菌株的的活性只有正常菌株的1%，但是仍然可以正常分裂。，但是仍然可以正常分裂。l DNA pol IDNA pol I的聚合反应速度为的聚合反应速度为10103 3base/minbase/min， 原核原核生物实际的复制速度为生物实际的复制速度为10105 5base/minbase/min。l DNA pol IDNA pol I的的进行性进行性不高不高进行性进行性 processivit

14、y是聚合酶从模板链上解离下来之前所能添加的核苷酸数。是聚合酶从模板链上解离下来之前所能添加的核苷酸数。DNA聚合酶聚合酶II (DNA-pol II) 具有具有53的聚合酶活性。的聚合酶活性。 只是在无只是在无pol及及pol的情况下暂时的情况下暂时 起作用。起作用。 对模板的特异性不高对模板的特异性不高, , 参与参与DNA损伤损伤 的应急状态修复的应急状态修复。 DNA pol III DNA pol III 是是E.coli E.coli 中中 真正的复制酶！真正的复制酶！DNA聚合酶聚合酶III (DNA-pol III) 是复制延长中真正起催化作用的酶。是复制延长中真正起催化作用的酶

15、。 由由10种亚基组成不对称的聚合体。种亚基组成不对称的聚合体。 ，亚基亚基组成组成核心酶核心酶，亚基具有亚基具有53的聚合活性的聚合活性，亚基具有亚基具有35外切外切酶活性，酶活性， 亚基可能起组装作用亚基可能起组装作用。 亚基亚基(DNA夹子夹子)能夹稳模板链，负能夹稳模板链，负责酶沿责酶沿DNA模板滑动的作用。模板滑动的作用。 其余亚基统称为其余亚基统称为-复合物复合物, , 是是DNA夹夹子加载蛋白子加载蛋白。DNA-pol a ae e t tb bg gd dd dc cy y5 to 3 polymerizing activity3 to 5 exonuclease activi

16、tyStimulates e e exonucleaseDimerizes coreSliding clamp (processivity factor)binds ATPbinds to b bbinds to g g and d dbinds to SSBbinds to c c and g gCoreEnzymedimerHoloenzyme（二）（二）真核真核生物的生物的DNA聚合酶聚合酶DNA-pol a a起始引发，有引物酶活性。起始引发，有引物酶活性。复制的主要酶复制的主要酶，有解螺旋酶活性。，有解螺旋酶活性。参与低保真度的复制。参与低保真度的复制。在复制过程中起在复制过程中起校

17、读、修复和填补缺校读、修复和填补缺口口的作用。的作用。在在线粒体线粒体DNA复制中起催化作用。复制中起催化作用。DNA-pol b bDNA-pol g gDNA-pol d dDNA-pol e e三、复制保真性的酶学依据三、复制保真性的酶学依据复制按照碱基配对规律进行，是遗传信息能准复制按照碱基配对规律进行，是遗传信息能准确传代的基本原理。确传代的基本原理。复制保真性的酶学机制：复制保真性的酶学机制：（一）（一）DNA-pol的核酸外切酶活性和即时校读的核酸外切酶活性和即时校读 （二）复制的保真性和碱基选择（二）复制的保真性和碱基选择（一）（一）DNA-pol的核酸外切酶活性和即时校的核酸

18、外切酶活性和即时校读读（二）复制的保真性和碱基选择（二）复制的保真性和碱基选择 DNA聚合酶靠其大分子结构协调非共价（氢键）聚合酶靠其大分子结构协调非共价（氢键）与共价（磷酸二酯键）键的有序形成。与共价（磷酸二酯键）键的有序形成。 嘌呤的化学结构能形成顺式和反式构型，与相应嘌呤的化学结构能形成顺式和反式构型，与相应的嘧啶形成氢键配对，嘌呤应处于的嘧啶形成氢键配对，嘌呤应处于反式构型反式构型。 1. 遵守严格的碱基配对规律；遵守严格的碱基配对规律；2. 聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能；聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能；3. 复制出错时复制出错时DNA-pol的即时校读功能。的即时校读功能。

19、DNA复制的保真性至少要依赖三种机制复制的保真性至少要依赖三种机制 四、复制中的分子解链及四、复制中的分子解链及DNA 分子拓扑分子拓扑学变化学变化 DNA分子的碱基埋在双螺旋内部，只分子的碱基埋在双螺旋内部，只有把有把DNA解成单链，它才能起模板作用。解成单链，它才能起模板作用。（一）解螺旋酶、引物酶和单链（一）解螺旋酶、引物酶和单链DNA结合蛋白结合蛋白理顺理顺DNA链链拓扑异构酶拓扑异构酶 (gyrA, B)稳定已解开的单链稳定已解开的单链单链单链DNA结合蛋白结合蛋白SSB催化催化RNA引物生成引物生成引物酶引物酶DnaG(dnaG)运送和协同运送和协同DnaBDnaC(dnaC)解开

20、解开DNA双链双链解螺旋酶解螺旋酶DnaB(dnaB )辨认起始点辨认起始点DnaA(dnaA)蛋白质（基因）蛋白质（基因）通用名通用名功能功能原核生物复制起始的相关蛋白质原核生物复制起始的相关蛋白质E. Coli 基因图基因图 解螺旋酶解螺旋酶(helicase)又称解链酶或又称解链酶或rep蛋白蛋白 利用利用ATP供能，作用于氢键，使供能，作用于氢键，使DNA双链双链解开成为两条解开成为两条单链。单链。每解开一对碱基，需消耗每解开一对碱基，需消耗2分子分子ATP。Dna BDna C解链方向解链方向 单链单链DNA结合蛋白结合蛋白 (single stranded DNA binding

21、protein, SSB) 在复制中维持模板处于单链状态并保护在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整性。单链的完整性。 DNA拓扑异构酶拓扑异构酶(DNA topoisomerase) 1010 8 8 局部解链后局部解链后拓扑是指物体或图像作弹性位移而又保持不变的性拓扑是指物体或图像作弹性位移而又保持不变的性质。质。解链过程中，解链过程中，DNA分子会过度拧紧、打结、缠绕、分子会过度拧紧、打结、缠绕、连环等现象。连环等现象。 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克服解链过程中的打结、缠绕现象克服解链过程中的打结、缠绕现象 拓扑异

22、构酶拓扑异构酶拓扑异构酶拓扑异构酶 分分 类类拓扑异拓扑异构酶构酶切断切断DNA双链中双链中一股一股链，使链，使DNA解链旋转不致打结；适当时候封解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，闭切口，DNA变为松弛状态变为松弛状态。反应反应不需不需ATP。拓扑异拓扑异构酶构酶切断切断DNA分子分子两股两股链，断端通过切链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。口旋转使超螺旋松弛。利用利用ATP供能，连接断端，供能，连接断端， DNA分分子进入负超螺旋状态。（主要）子进入负超螺旋状态。（主要）作用机制作用机制 拓扑异构酶拓扑异构酶的作用的作用拓扑异构酶拓扑异构酶的作用的作用解旋解链酶类的作用解旋解链酶类的作用引物

23、酶引物酶(primase) 依赖依赖DNA的的RNA聚合酶。聚合酶。 可以催化游离可以催化游离NTP聚合。聚合。 在大肠杆菌，是在大肠杆菌，是dna G 基因的表达产物。基因的表达产物。 催化催化RNA引物的生成。引物的生成。引物（引物（primer）：）： 是由引物酶催化生成的短链是由引物酶催化生成的短链RNA，它可为，它可为DNA聚合提供聚合提供3-OH末端。末端。五、五、DNA连接酶连接酶连接连接DNA链链3 -OH末端和相邻末端和相邻DNA链链5 -P末端，使二者生成末端，使二者生成磷酸二酯键磷酸二酯键，从而，从而把两段相邻的把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。链连接成一条完整的链

24、。POO-O-OHO5POO-O-O335DNA连接酶连接酶ATP（NAD+）AMP5353在复制中起接合在复制中起接合双链中单链缺口双链中单链缺口的作用。的作用。在在DNA修复、重组及剪接中也起缝合缺口修复、重组及剪接中也起缝合缺口作用。作用。是基因工程的重要工具酶之一。是基因工程的重要工具酶之一。DNA连接酶的功能连接酶的功能DNA生物合成生物合成The Process of DNA Replication第三节第三节（一）复制的起始（一）复制的起始需要解决两个问题：需要解决两个问题：1. DNA解开成单链，提供模板。解开成单链，提供模板。2. 合成引物，提供合成引物，提供3 -OH末端末

25、端;形成引发体形成引发体。一、原核生物的一、原核生物的DNA生物合成生物合成 GATTNTTTATTT GATCTNTTNTATT GATCTCTTATTAG 5 3 1. DNA解链解链E.coli复制起始点复制起始点 oriC 1 13 17 29 32 44 TGTGGATTA-TTATACACA-TTTGGATAA-TTATCCACA58 66 166 174 201 209 237 245 串联重复序列串联重复序列 反向重复序列反向重复序列5 3 Dna A Dna B、 Dna CDNA拓扑异构酶拓扑异构酶引物引物酶酶SSB3 5 3 5 2. 引发体和引物引发体和引物含有解螺旋酶

26、、含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。复制起始区域的复合结构称为引发体。 3 5 3 5 引物是由引物酶催化合成的短链引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。分子。 引物引物3 HO5引物引物酶酶DNA解成单链解成单链 由由拓扑异构酶拓扑异构酶松弛超螺旋，松弛超螺旋，解螺旋酶解螺旋酶 解开双链，解开双链，SSB结合到单链上使其稳定。结合到单链上使其稳定。（二）复制的延长（二）复制的延长复制的延长指在复制的延长指在DNA-pol催化下，催化下，dNTP以以dNMP的方式逐个加入引物或延长的方式逐个加入引物或延长中的子链上，其化学本质是磷酸二酯

27、键的中的子链上，其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。不断生成。 5 5 3 35 5dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH 3 3DNA-pol领头链的合成领头链的合成随从链的合成随从链的合成复复制制过过程程简简图图复复 制制 过过 程程 动动 画画 原核生物基因是环状原核生物基因是环状DNA，双向复制的复制双向复制的复制片段在复制的终止点片段在复制的终止点(ter)处汇合。处汇合。 E.colioriter8232 ori terSV40500（三）复制的终止（三）复制的终止5 5 5 RNA酶酶OHP5 DNA-pol dNTP5 5 PATP AMP+PPi5

28、 5 DNA连接酶连接酶 随从链上不连续性片段的连接随从链上不连续性片段的连接哺乳动物的哺乳动物的细胞周期细胞周期DNA合成期合成期G1G2SM二、真核生物的二、真核生物的DNA生物合成生物合成 细胞能否分裂，决定于进入细胞能否分裂，决定于进入S期及期及M期这两个关期这两个关键点。键点。G1S及及G2M的调节，与蛋白激酶活的调节，与蛋白激酶活性有关。性有关。 蛋白激酶通过磷酸化激活或抑制各种复制因子而蛋白激酶通过磷酸化激活或抑制各种复制因子而实施调控作用。实施调控作用。 真核生物每个染色体有多个起始点，是多真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子复制。复制子复制。复制有时序性复制有时序性，即

29、复制子以，即复制子以分组方式激活而不是同步起动。分组方式激活而不是同步起动。 复制的起始需要复制的起始需要DNA-pol（引物酶活性）引物酶活性）和和pol（解螺旋酶活性）参与。还需拓扑解螺旋酶活性）参与。还需拓扑酶和复制因子酶和复制因子(replication factor, RF)。 （一）复制的起始（一）复制的起始增殖细胞核抗原增殖细胞核抗原(proliferation cell nuclear antigen, PCNA)在复制起始和在复制起始和延长中起关键作用。延长中起关键作用。 酵母酵母DNA复制起始点为复制起始点为11bp富含富含AT的核的核心序列。心序列。复制起始包括打开复制叉

30、、形成引发体和复制起始包括打开复制叉、形成引发体和合成合成RNA引物。引物。3 5 5 3 领头链领头链3 5 3 5 亲代亲代DNA随从链随从链引物引物核小体核小体（二）复制的延长（二）复制的延长 DNA复制与核小体装配同步进行。复制与核小体装配同步进行。 染色体染色体DNA呈线状，复制在末端停止。呈线状，复制在末端停止。 复制终止包括：复制终止包括：1. 岡崎片段、复制子之间的连接。岡崎片段、复制子之间的连接。2. 端粒的合成端粒的合成（三）复制的终止（三）复制的终止和端粒酶和端粒酶岡崎片段的连接岡崎片段的连接 真核生物端粒的形成：真核生物端粒的形成： 端粒（端粒（telomere）是指真

31、核生物染色是指真核生物染色体线性体线性DNA分子分子末端的结构部分，末端的结构部分，通常膨大成粒状。通常膨大成粒状。功能功能 维持染色体的稳定性维持染色体的稳定性 维持维持DNA复制的完整性复制的完整性结构特点结构特点 由由末端末端DNA序列序列和和蛋白质蛋白质构成。构成。 末端末端DNA序列是多次重复的富含序列是多次重复的富含G、T碱基的短序列。碱基的短序列。TTTTGGGGTTTTGGGG端粒酶端粒酶(telomerase) 线性线性DNA在复制完成后，其末端由于引物在复制完成后，其末端由于引物RNA的水的水解而可能出现缩短。故需要在解而可能出现缩短。故需要在端粒酶端粒酶（telomera

32、se）的催化下，进行延长反应。的催化下，进行延长反应。端粒酶端粒酶(telomerase)端粒酶是一种端粒酶是一种RNA-蛋白质复合体，它蛋白质复合体，它可以其可以其RNA为模板，为模板，通过逆转录过程对通过逆转录过程对末端末端DNA链进行延链进行延长。长。端粒酶的分子结构端粒酶的分子结构 端粒酶端粒酶RNA (human telomerase RNA, hTR) 端粒酶协同蛋白端粒酶协同蛋白 (human telomerase associated protein 1, hTP1) 端粒酶逆转录酶端粒酶逆转录酶 (human telomerase reverse transcriptase,

33、 hTRT) 端粒酶的组成端粒酶的组成端粒酶的爬行模型（动画演示）端粒酶的爬行模型（动画演示）DNADNA聚合酶复制子链聚合酶复制子链进一步加工进一步加工端粒及端粒及端粒酶的意义端粒酶的意义成年人端粒比胚胎细胞端粒短；成年人端粒比胚胎细胞端粒短；老化与端粒酶活性下降有关；老化与端粒酶活性下降有关；肿瘤的发生与端粒酶活性有关；肿瘤的发生与端粒酶活性有关；端粒酶不一定能决定端粒的长度。端粒酶不一定能决定端粒的长度。 逆转录和其他复制方式逆转录和其他复制方式Reverse Transcription and Other DNA Replication Ways第四节第四节逆转录逆转录 (revers

34、e transcription) 在逆转录酶的催化下，以在逆转录酶的催化下，以RNA为模为模板合成板合成DNA的过程，又称反转录。的过程，又称反转录。 逆转录逆转录酶酶一、逆转录病毒和逆转录酶一、逆转录病毒和逆转录酶 逆转录酶逆转录酶 (reverse transcriptase) 从从RNA病毒中发现，能催化以病毒中发现，能催化以RNA为模板为模板合成双链合成双链DNA的酶，全称为依赖的酶，全称为依赖RNA的的DNA聚合酶。聚合酶。 有三种活性：有三种活性：RNA指导的指导的DNA聚合活性聚合活性 RNase H活性活性 DNA指导的指导的DNA聚合活性聚合活性逆转录病毒细胞内的逆转录现象逆

35、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RNA酶酶单链单链DNA逆转录酶逆转录酶双链双链DNA分子生物学研究可应用分子生物学研究可应用逆转录酶，作为获取基因工逆转录酶，作为获取基因工程目的基因的重要方法之一，程目的基因的重要方法之一，此法称为此法称为cDNA法。法。 以以mRNA为模板，经逆为模板，经逆转录合成的与转录合成的与mRNA碱基序碱基序列互补的列互补的DNA链。链。 试管内合成试管内合成cDNAcDNA complementary DNA 逆转录酶逆转录酶 A AA A T T T TAAAASISI核酸酶核酸酶 DNA聚合酶聚合酶碱

36、水解碱水解 T T T T二、逆转录研究的意义二、逆转录研究的意义 逆转录酶和逆转录现象，是分子生物学研究中逆转录酶和逆转录现象，是分子生物学研究中的重大发现。的重大发现。 逆转录现象说明：至少在某些生物，逆转录现象说明：至少在某些生物，RNA同同样兼有遗传信息传代与表达功能。样兼有遗传信息传代与表达功能。对逆转录病毒的研究，拓宽了对逆转录病毒的研究，拓宽了20世纪初已注意世纪初已注意到的病毒致癌理论。到的病毒致癌理论。 滚环复制滚环复制(rolling circle replication)三、滚环复制和三、滚环复制和D环复制环复制 是某些低等生物的复制形式，如是某些低等生物的复制形式，如

37、X174和和M13噬菌体等。噬菌体等。滚环复制滚环复制滚环复制动画滚环复制动画 D环复制环复制(D-loop replication) 是线粒体是线粒体DNA (mitochondrial DNA，mtDNA) 的复制形式。的复制形式。 由由DNA聚合酶聚合酶-g g催化。催化。两条链的复制起点的位置不同。两条链的复制起点的位置不同。D环复制环复制H链链L链链DNA损伤（突变）与修复损伤（突变）与修复DNA Damage (Mutation) and Repair第五节第五节突变突变 (mutation)： 是是由遗传物质结构改变而引起的遗传由遗传物质结构改变而引起的遗传信息的改变信息的改变。

38、从分子水平来看，突变就是从分子水平来看，突变就是DNA分子上碱基的改变。分子上碱基的改变。 DNA损伤损伤 (DNA damage)： 泛指一切泛指一切DNA结构和功能的变化。包括结构和功能的变化。包括各种突变类型、碱基的损伤和各种突变类型、碱基的损伤和DNA链的链的断断裂。裂。一、突变的意义一、突变的意义（一）突变是进化、分化的分子基础（一）突变是进化、分化的分子基础（二（二）突变导致基因型改变突变导致基因型改变（三（三）突变导致死亡突变导致死亡（四）突变是某些疾病的发病基础（四）突变是某些疾病的发病基础二、引发突变的因素二、引发突变的因素 自发性自发性: 自然错配率约为自然错配率约为10-

39、910-10 左右。左右。 物理因素物理因素: 如如UV (ultra violet)、各种辐射。、各种辐射。 化学因素化学因素: 烷化剂、碱基类似物、以及其他烷化剂、碱基类似物、以及其他一些人工合成或环境中存在的化学物质，这一些人工合成或环境中存在的化学物质，这些诱发突变的化学物质些诱发突变的化学物质,称为致癌剂。称为致癌剂。 生物因素生物因素: 抗菌素类、黄曲霉素和病毒等。抗菌素类、黄曲霉素和病毒等。NNOOCH3RPNNOOCH3RNNOOCH3RPNNORUVOCH3胸嘧啶二聚体( T T )物理因素物理因素化学因素化学因素常见的化学诱变剂常见的化学诱变剂化合物类别化合物类别作作 用用

40、 点点分子改变分子改变碱基类似物碱基类似物如：如：5-BUA 5-BU G- A - T - G - C -羟胺类（羟胺类（NH2OH）T C- T - A - C - G -亚硝酸盐（亚硝酸盐（NO2）C U- G - C - A - T -烷化剂烷化剂如：氮芥类，如：氮芥类， NitrominsG mGG mGDNA缺失缺失G三、突变的分子改变类型三、突变的分子改变类型错配错配 (mismatch)缺失缺失 (deletion)插入插入 (insertion)重排重排 (rearrangement)框移框移(frame-shift) DNA分子上的碱基错配称分子上的碱基错配称点突变点突变

41、(point mutation)发生在同型碱基之间，即嘌呤代替发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。 1. 转换转换发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。啶或嘧啶变嘌呤。 2. 颠换颠换（一）错配（一）错配镰形红细胞贫血病人镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) 亚基亚基N-val his leu thr pro val glu C 肽链肽链CAC GTG基因基因正常成人正常成人Hb (HbA)亚基亚基N-val his leu thr pro glu glu C 肽链肽链CTC GAG基因基因（二（二）缺失

42、、插入和框移缺失、插入和框移缺失：缺失：一个碱基或一段核苷酸链从一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上大分子上消失。消失。插入：插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到到DNA大分子中间。大分子中间。框移突变框移突变是指三联体密码的阅读方式改变，造是指三联体密码的阅读方式改变，造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。 缺失或插入都可导致缺失或插入都可导致框移突变框移突变 。谷谷 酪酪 蛋蛋 丝丝5 G C A G U A C A U G U C 丙丙 缬缬 组组 缬缬正常正常5 G A G U A C A U G U C 缺失缺

43、失C缺失引起框移突变缺失引起框移突变（三（三）重排重排DNA分子内较大片段的交换，称为分子内较大片段的交换，称为重组或重排。重组或重排。 由基因重排引起的两种地中海贫血基因型由基因重排引起的两种地中海贫血基因型四、四、DNA损伤的修复损伤的修复修复修复(repairing) 是对已发生分子改变的补偿措施，使其是对已发生分子改变的补偿措施，使其回复为原有的天然状态。回复为原有的天然状态。光修复光修复(light repairing)切除修复切除修复(excision repairing)重组修复重组修复(recombination repairing)SOS修复修复 修复的主要类型修复的主要类型

44、NNOOCH3RPNNOOCH3RNNOOCH3RPNNORUVOCH3胸嘧啶二聚体( T T )（一）光修复（一）光修复 （二）切除修复（二）切除修复是细胞内最重要和是细胞内最重要和有效的修复机制，主要有效的修复机制，主要由由DNA-pol和连接酶和连接酶完成。完成。UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶聚合酶OHPDNA连接酶连接酶NAD+E.coli的切的切除修复机制除修复机制切除修复动画切除修复动画切除修复对多种切除修复对多种DNA损伤起修复作用：损伤起修复作用： 碱基脱落形成的无碱基位点碱基脱落形成的无碱基位点 嘧啶二聚体嘧啶二聚体 碱基烷基化碱基烷基化 单链断裂单链断裂 碱基错

45、配碱基错配 庞大的化学附加物庞大的化学附加物 链间交联链间交联着色性干皮病着色性干皮病(xeroderma pigmentosis，XP) 是切除修复缺陷性的遗传病。是切除修复缺陷性的遗传病。 XP病人细胞对嘧啶二聚体和烷基化的病人细胞对嘧啶二聚体和烷基化的清除能力降低，不能修复紫外线照射引起清除能力降低，不能修复紫外线照射引起的的DNA损伤，因此易发生皮肤癌。损伤，因此易发生皮肤癌。（三）重组修复（三）重组修复（四）四）SOS修复修复 当当DNA损伤广泛难以继续复制时，由此而诱损伤广泛难以继续复制时，由此而诱发出一系列复杂的反应。发出一系列复杂的反应。 在在E. coli，各种与修复有关的基因，组成一各种与修复有关的基因，组成一个称为个称为调节子调节子(regulon)的网络式调控系统。的网络式调控系统。 这种修复特异性低，对碱基的识别、选择能这种修复特异性低，对碱基的识别、选择能力差。通过力差。通过SOS修复，复制如能继续，细胞修复，复制如能继续，细胞是可存活的。然而是可存活的。然而DNA保留的错误较多，导保留的错误较多，导致较广泛、长期的突变。致较广泛、长期的突变。