第章 DNA的生物合成（PPT X页）课件.ppt

1、 生物化学 郭子林第三篇第三篇基因信息的传递基因信息的传递内容：内容： 第十章第十章 DNA的生物合成的生物合成 第十一章第十一章 RNA的生物合成的生物合成 第十二章第十二章 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成 第十三章第十三章 基因表达调控基因表达调控 第十四章第十四章 基因重组与基因工程基因重组与基因工程本篇内容的学习方法建议：本篇内容的学习方法建议：l掌握基因信息传递的基本过程；掌握基因信息传递的基本过程；l重点掌握基因信息传递、调控和基因工程重点掌握基因信息传递、调控和基因工程 的机制、重要酶类和主要物质的作用；的机制、重要酶类和主要物质的作用；l理清理清DNA、RNA、蛋白质之间信息

2、传递关系；蛋白质之间信息传递关系；l注意基因信息传递异常与疾病的关系。注意基因信息传递异常与疾病的关系。 基因（基因（gene）：）：生物活性产物编码的生物活性产物编码的DNA功功能片段，以碱基排列顺序贮存遗传信息。能片段，以碱基排列顺序贮存遗传信息。由由Johannsen于于1909年首先提出。年首先提出。中心法则中心法则(central dogma) ：1958年年F.Crick提出。提出。1970年年H.Temin发现逆转录现象，发现逆转录现象，补充中心法则。补充中心法则。DNARNA蛋白质蛋白质转录转录翻译翻译逆转录逆转录复制复制遗遗 传传 学学 中中 心心 法法 则则复制复制第十章第

3、十章 DNA的生物合成的生物合成 DNA的生物合成有的生物合成有DNA复制复制和和逆转录逆转录两种方式。两种方式。 DNA复制（复制（ DNA replication）是指遗是指遗传物质的传代，以母链传物质的传代，以母链DNA为模板，按为模板，按照碱基配对原则指导合成子链照碱基配对原则指导合成子链DNA的过的过程。程。 第一节第一节 复制的基本规律复制的基本规律 l DNA复制的方式为半保留复制复制的方式为半保留复制 (semi-conservative replication) l DNA复制的形式为双向复制复制的形式为双向复制 (bidirectional replication) l D

4、NA复制的过程为半不连续复制复制的过程为半不连续复制 (semi-discontinuous replication) 一、半保留复制一、半保留复制（semi-conservative replication） DNA复制时，母链复制时，母链DNA解开为两股单解开为两股单链，各自作为模板，按碱基配对规律合成链，各自作为模板，按碱基配对规律合成与模板互补的子链，形成子代与模板互补的子链，形成子代DNA双链，双链，其中一股单链从亲代完整地接受过来，另其中一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链则是合成的，故称半保留复制。一股单链则是合成的，故称半保留复制。 AGAACTTTCTTGAAAGAACT

5、TTCTTGAAAGAACTTTCTTGAA半保留复制半保留复制母链母链DNA子链子链DNA半保留复制的实验依据半保留复制的实验依据 1958年，年，Messelson 和和stahl 用实验证实。用实验证实。 1. 细菌在含细菌在含15NH4Cl的培养液中培养若干代，的培养液中培养若干代，密度梯度离心分离出密度梯度离心分离出DNA是含是含15N的的重重DNA。图图 2. 把含把含15N-DNA的细菌放的细菌放14NH4Cl培养液中培养液中培养，子一代培养，子一代DNA是是中等密度中等密度DNA 。图图 3. 继续培养出子二代，其继续培养出子二代，其DNA是是中等密度中等密度DNA与普通与普通

6、DNA各占一半。各占一半。图图半保留复制的意义半保留复制的意义l按半保留复制方式，子代保留了亲代按半保留复制方式，子代保留了亲代DNA的全部遗传信息，体现了遗传过程的全部遗传信息，体现了遗传过程的相对保守性。的相对保守性。l遗传的保守性是相对的，而不是绝对的。遗传的保守性是相对的，而不是绝对的。自然界还存在着普遍的变异现象。自然界还存在着普遍的变异现象。lDNA复制时，从复制起始点复制时，从复制起始点(origin) )向两个方向解链，形成两个延伸方向向两个方向解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为双向复制。相反的复制叉，称为双向复制。图图二、二、 双双 向向 复复 制制(bidirecti

7、onal replication) l原核生物是单复制子双向复制。其环形原核生物是单复制子双向复制。其环形DNA为单复制子，只有一个复制起始点。为单复制子，只有一个复制起始点。 图图l真核生物是多复制子双向复制。其线形真核生物是多复制子双向复制。其线形DNA有多个复制起始点，形成多个复制子。有多个复制起始点，形成多个复制子。图图（复制子复制子是独立完成复制的功能单位，一个复是独立完成复制的功能单位，一个复制起始点起始的制起始点起始的DNA复制区域称为复制子复制区域称为复制子replicon ）。）。三、半不连续复制三、半不连续复制 领头链领头链(leading strand) ：复制方向与解链

8、复制方向与解链方向一致的子链。领头链复制是连续的。方向一致的子链。领头链复制是连续的。图图 随从链随从链(lagging strand) ：复制方向与解链复制方向与解链方向相反的子链。随从链的复制是不连续的，方向相反的子链。随从链的复制是不连续的，形成多个冈崎片段。形成多个冈崎片段。图图 冈崎片段（冈崎片段（Okazaki fragment）：）：1968年年日本科学家冈崎用电镜观察到，原核生物大日本科学家冈崎用电镜观察到，原核生物大小在一千至二千核苷酸，真核生物数百个核小在一千至二千核苷酸，真核生物数百个核苷酸。苷酸。第二节第二节 DNA复制的酶学和拓扑学变化复制的酶学和拓扑学变化参与参与D

9、NA复制的酶与物质：复制的酶与物质： 1. 底物底物dNTP（N: A , G , C , T ） 2. DNA聚合酶（聚合酶（DNA polymerase, DNA-pol) 3. 模板模板(template) 4. 解螺旋酶（解链酶）（解螺旋酶（解链酶）（helicase) 5. 拓扑异构酶（拓扑异构酶（topoisomerase) 6. 单链单链DNA结合蛋白结合蛋白SSB 7. 引物酶（引物酶（primase) 8. 引物（引物（primer) 9. DNA连接酶（连接酶（ligase) 10. 其他因子其他因子一、一、 复制的化学反应复制的化学反应1、复制的基本化学反应：核苷酸和核苷

10、酸之、复制的基本化学反应：核苷酸和核苷酸之间，通过间，通过3,5磷酸二酯键的生成而逐一聚磷酸二酯键的生成而逐一聚合。反应底物是合。反应底物是 dNTP，加入单链的是，加入单链的是dNMP 。图图1 图图22、复制的方向性：新链只能从、复制的方向性：新链只能从5-端向端向3-端延端延长（所有新生成的长（所有新生成的RNA或或DNA单链其方向单链其方向都是都是53，模板链与之反向互补平行）。，模板链与之反向互补平行）。3355模板链模板链新生链新生链（DNA polymerase, DNA-pol) （一）原核生物的（一）原核生物的DNA聚合酶聚合酶 DNA-pol I DNA-pol II DN

11、A- pol 1、 DNA- pol ： 结构：结构：由由10种亚基（种亚基（22个亚基）组成的不对个亚基）组成的不对 称二称二 聚体。其中聚体。其中组成核心酶。组成核心酶。图图 功能：功能：真正的复制酶，真正的复制酶，亚基具聚合活性。亚基具聚合活性。 亚基有亚基有35核酸外切酶活性和碱核酸外切酶活性和碱 基选择功能。基选择功能。图图2、DNA-pol II 有有3 5核酸外切酶活性和聚合酶活性，主核酸外切酶活性和聚合酶活性，主要参与要参与DNA损伤的应急状态修复（损伤的应急状态修复（sos修复）。修复）。3、DNA-pol I 单一肽链的大分子，二级结构以单一肽链的大分子，二级结构以-螺旋为

12、主，螺旋为主，从从A至至R共共18个个-螺旋肽段。螺旋肽段。I螺旋与螺旋与O螺旋之螺旋之间有较大的空隙，可容纳间有较大的空隙，可容纳DNA链。链。图图小片段：小片段：AF螺旋区螺旋区大片段（大片段（Klenow片段）：片段）：GR螺旋区螺旋区pol I323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片段是分子生物片段是分子生物学常用的工具酶。学常用的工具酶。 DNA-pol I作用：作用：l 切

13、除引物和突变片段；切除引物和突变片段； （53核酸外切酶活性）核酸外切酶活性）图图l 复制和修复中的空隙填补；复制和修复中的空隙填补； （DNA聚合酶活性）聚合酶活性）l 复制中的错误校读。复制中的错误校读。 （35核酸外切酶活性）核酸外切酶活性）图图 （二）真核生物的（二）真核生物的DNA聚合酶聚合酶 DNA聚合酶主要有聚合酶主要有5种。种。 DNA-pol：具引物酶活性：具引物酶活性(合成含合成含RNA+DNA 的引物的引物) DNA-pol：似：似DNA-pol DNA-pol：线粒体：线粒体DNA复制酶复制酶 DNA-pol：真正的复制酶，似：真正的复制酶，似DNA-pol ， 并有解

14、螺旋酶活性并有解螺旋酶活性 DNA-pol：似：似DNA-pol （一）核酸外切酶活性和校读（一）核酸外切酶活性和校读 35外切酶活性是复制进行中校读外切酶活性是复制进行中校读辨认错配的碱基并加以切除。辨认错配的碱基并加以切除。53外外切酶活性，是切除引物和突变片段切酶活性，是切除引物和突变片段 。图图 DNA -pol I具有具有35和和53外切酶外切酶活性，活性，DNA-pol 、II只有只有35外切外切酶活性。酶活性。三、三、 复复 制保真性的酶学依据制保真性的酶学依据 DNA-pol 的的亚基有亚基有35外切酶活性和外切酶活性和碱基选择功能。碱基选择功能。 DNA复制的保真性，依赖三种

15、机制：复制的保真性，依赖三种机制： 遵守严格的碱基配对规律遵守严格的碱基配对规律; 聚合酶在复制延长中对碱基的选择功能聚合酶在复制延长中对碱基的选择功能; 复制出错时有即时的校读功能。复制出错时有即时的校读功能。（二）复制的保真性和碱基选择（二）复制的保真性和碱基选择 四、四、 DNA解链和分子拓扑学变化解链和分子拓扑学变化 (一）参与解链的酶与因子一）参与解链的酶与因子 主要有解螺旋酶、引物酶和单链主要有解螺旋酶、引物酶和单链DNA 结合蛋白结合蛋白 1、解螺旋酶、解螺旋酶（helicase） 又称解链酶又称解链酶,复制蛋白复制蛋白rep(replication), DnaB 。 其作用是利

16、用其作用是利用ATP供能来解开供能来解开DNA双链双链。 复制起始时复制起始时DnaA辨认辨认E.coli上复制起上复制起始点始点oriC（origin C），），DnaC辅助辅助DnaB(解螺旋酶解螺旋酶)结合起始点并打开双链。结合起始点并打开双链。 （DnaA DnaB DnaC 分别是分别是dnaA dnaB dnaC基因产物基因产物) 。E.coli基因图基因图 又称又称 DnaG （ dnaG 基因产物）。基因产物）。 作用是催化形成短片段的作用是催化形成短片段的RNA引物，在引物，在其其3-OH端开始复制。端开始复制。图图 引物引物 (primer)：由引物酶催化合成的短由引物酶催

17、化合成的短链链RNA分子。约十数个至数十个核苷酸。分子。约十数个至数十个核苷酸。2、引物酶（、引物酶（primase） 3、单链、单链DNA结合蛋白结合蛋白 （single stranded DNA binding protein，SSB） 由由177个氨基酸残基组成的相同四聚体，个氨基酸残基组成的相同四聚体， 结合单链结合单链DNA的跨度约的跨度约32个核苷酸。复制过个核苷酸。复制过程中不断与程中不断与单链单链DNA结合和脱离。结合和脱离。图图 作用是在复制中维持模板处于单链状态作用是在复制中维持模板处于单链状态并保护单链并保护单链的完整。的完整。(二二)DNA拓扑异构酶（拓扑异构酶（DNA

18、 topoisomerase） 拓扑拓扑：指物体或图像作弹性移位而又保持物：指物体或图像作弹性移位而又保持物 体不变的性质。体不变的性质。 复制解链中的复制解链中的DNA分子绕双螺旋轴高速解分子绕双螺旋轴高速解链旋转（旋转链旋转（旋转100次次/秒），会造成解链前方秒），会造成解链前方的的DNA分子缠绕打结。分子缠绕打结。 拓扑异构酶改变拓扑异构酶改变DNA分子拓扑构象，分子拓扑构象，解除解除DNA分子缠绕打结。分子缠绕打结。见图见图 l 拓扑酶拓扑酶I 1. 切断切断DNA双链中一股，切口处的断端绕双链中一股，切口处的断端绕螺旋轴按照松弛螺旋的方向转动，解除螺旋轴按照松弛螺旋的方向转动，解除

19、解链旋转中的缠绕打结。解链旋转中的缠绕打结。2. 适当时候又把切口封闭。催化反应不需适当时候又把切口封闭。催化反应不需ATP。 1. 切断切断DNA分子双链某一部位，通过切口分子双链某一部位，通过切口使超螺旋松驰，解除解链过程中的缠绕使超螺旋松驰，解除解链过程中的缠绕打结。打结。 2. 在利用在利用ATP供能情况下，断端在拓扑供能情况下，断端在拓扑 酶催化下恢复连接。酶催化下恢复连接。 l 拓扑酶拓扑酶II五、五、DNA连接酶（连接酶（DNA ligase） 其作用是连接两段相邻的其作用是连接两段相邻的DNA单链片单链片段，使二者生成段，使二者生成3,5-磷酸二酯键。需磷酸二酯键。需ATP。

20、图图 一、原核生物的一、原核生物的DNA生物合成生物合成 （一）复制的起始（一）复制的起始l复制起始点结构：复制起始点结构：E.coli固定的复制起始固定的复制起始 点点OriC跨度为跨度为245bp，包含有，包含有3组串连重组串连重复序列和复序列和2对反向重复序列。对反向重复序列。图图 第三节第三节 DNA生物合成过程生物合成过程l复制起始过程：复制起始过程： DnaA辨认结合于辨认结合于OriC重复序列，重复序列，DnaC辅辅助助DnaB结合于结合于OriC附近，解开局部双链附近，解开局部双链 ，置换出置换出DnaA，DnaG（引物酶）进入，形成（引物酶）进入，形成引发体引发体（图图）。）

21、。 继续解链，继续解链，SSB结合保护解开的单链，拓结合保护解开的单链，拓扑异构酶发挥作用，引物酶催化生成扑异构酶发挥作用，引物酶催化生成RNA引引物，物，复制起始完成复制起始完成 。图图 在在DNA-pol催化下以催化下以dNTP为原料，以为原料，以dNMP方式逐个加入到引物或延长中的新方式逐个加入到引物或延长中的新链链3-OH上，逐个形成上，逐个形成3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键。 复制方向复制方向53，复制特点是半不连续性，复制特点是半不连续性复制。复制。图图1 图图2 DNA复制速度相当快，复制速度相当快，E.coli 20分钟可分钟可繁殖一代，每秒可参入繁殖一代，每秒可参入2500个核

22、苷酸。个核苷酸。（二）复制的延长（二）复制的延长 原核生物环状原核生物环状DNA采取单复制子双向复制。采取单复制子双向复制。 领头链和随从链上的领头链和随从链上的RNA引物被引物被RNA酶酶（或（或DNA-pol I）水解，空隙由）水解，空隙由DNA-pol I来来催化填补，催化填补，DNA连接酶将各片段连接成完整连接酶将各片段连接成完整的的环状环状新链，新链，形成两个完整的形成两个完整的环状环状DNA。 图图1 图图2 （三）复制的终止三）复制的终止细胞周期细胞周期DNADNA合成期合成期G1G2SM二、真核生物的二、真核生物的DNADNA生物合成生物合成 细胞周期可分为：细胞周期可分为：S

23、期期（Synthetic phase, DNA合成期）合成期）G2期期（ Gap , DNA合成后期）合成后期）M期（期（mitotic phase, 有丝分裂期有丝分裂期）G1期（期（Gap , DNA合成前期）合成前期）1. 真核生物真核生物DNA复制是多复制子双向复制，复制是多复制子双向复制，有多个起始点；有多个起始点；2. 复制有时序性，复制子以分组方式激活复制有时序性，复制子以分组方式激活而不是同步起动；而不是同步起动；（一）复制的起始（一）复制的起始 真核生物复制起始与原核生物基本相似，真核生物复制起始与原核生物基本相似，有以下特点：有以下特点：3. 复制起始点序列较原核复制起始点

24、序列较原核oriC短。短。 酵母复制起始点含酵母复制起始点含11bp的自主复制序的自主复制序列：列：A(T)TTTATA(G)TTTA(T)。4. DNA-pol具引物酶活性，生成引物具引物酶活性，生成引物（RNA+小段小段DNA）；）；DNA-pol具解螺具解螺旋酶活性。旋酶活性。5. 增殖细胞核抗原增殖细胞核抗原(PCNA)参与复制起始。参与复制起始。其作用与原核其作用与原核DNA- pol的的亚基相似，亚基相似，形成钳卡形成钳卡DNA的夹子的夹子 。（二）复制的延长（二）复制的延长真核生物复制延长与原核生物基本相似，真核生物复制延长与原核生物基本相似，有以下特点：有以下特点：1.1.DN

25、A-pol生成引物后，生成引物后，DNA-pol在在增殖增殖细胞核抗原细胞核抗原PCNA协助下置换协助下置换DNA-pol。2.2.DNA-pol在在PCNA协助下合成协助下合成DNADNA子链。子链。3.3.引物和冈崎片段较原核生物短，单个复制引物和冈崎片段较原核生物短，单个复制子复制速度慢，但总体速度不慢。子复制速度慢，但总体速度不慢。（三）复制终止和端粒酶（三）复制终止和端粒酶 1、真核生物复制终止、真核生物复制终止 真核生物复制终止与原核生物基本相似。真核生物复制终止与原核生物基本相似。 不同点：不同点： DNA为线形，复制结束时两条为线形，复制结束时两条新生子链的新生子链的5端的引物

26、切下后形成的空隙需端的引物切下后形成的空隙需端粒酶修补并形成端粒。端粒酶修补并形成端粒。 图图2、端粒（、端粒（telomere） 是真核生物染色体是真核生物染色体线性线性DNA分子末端分子末端的膨大的粒状结构，由的膨大的粒状结构，由DNA和结合蛋白和结合蛋白形成。在维持染色体的稳定性和形成。在维持染色体的稳定性和DNA复复制的完整性有重要作用。制的完整性有重要作用。 端粒端粒DNA序列共同特点是富含序列共同特点是富含T、G短短序列的重复序列序列的重复序列(Tn G n )x 3、端粒酶、端粒酶(telomerase) 是一种是一种RNA-蛋白质复合物。蛋白质复合物。 端粒酶端粒酶RNA (A

27、n C n )x 端粒酶协同蛋白端粒酶协同蛋白 端粒酶逆转录酶端粒酶逆转录酶端粒酶端粒酶端粒酶以其端粒酶以其RNA为模板，在其协同蛋白参为模板，在其协同蛋白参与下，其逆转录酶催化生成与下，其逆转录酶催化生成DNA单链。单链。l端粒酶借助其端粒酶借助其RNA与与DNA单链有互补单链有互补硷基序列而辨认结合。硷基序列而辨认结合。 图图l以以RNA为模板的逆转录，进行母链为模板的逆转录，进行母链DNA的延长。的延长。 图图l延长以后的单链反折，延长以后的单链反折，DNA-pol以其以其3- OH末端复制末端复制DNA 单链，填补引物单链，填补引物切除后的缺失，切除后的缺失，DNA连接酶完成连接。连接

28、酶完成连接。 图图 第四节第四节 逆转录和其他复制方式逆转录和其他复制方式 一、逆转录一、逆转录 (reverse transcription)l逆转录逆转录: :以以RNA为模板指导合成为模板指导合成DNA的过的过程，因与转录方向相反故称逆转录（反程，因与转录方向相反故称逆转录（反转录）。转录）。l19701970年，年，H. Temin和和D. Baltimore分别从分别从R N A病毒中发现病毒中发现逆转录酶逆转录酶( r e v e r s e transcriptase)。此类此类RNA病毒称病毒称逆转录病逆转录病毒毒(retrovirus)。 l逆转录酶逆转录酶 有有3种酶活性种

29、酶活性 1. 以以RNA为模板的为模板的DNA聚合酶活性。聚合酶活性。 2. RNase活性，水解杂化链上的活性，水解杂化链上的RNA。 3. 以以DNA 为模板的为模板的DNA聚合酶活性。聚合酶活性。l细胞中的病毒逆转录细胞中的病毒逆转录 逆转录病毒在宿主细胞中逆转录生成双逆转录病毒在宿主细胞中逆转录生成双链链DNA，此又称，此又称前病毒。前病毒。图图 前病毒可在细胞内独立繁殖，利用宿前病毒可在细胞内独立繁殖，利用宿主主RNA聚合酶转录生成病毒聚合酶转录生成病毒RNA，并翻译，并翻译病毒蛋白质，组装成大量新病毒。病毒蛋白质，组装成大量新病毒。 前病毒前病毒DNA也可整合到宿主细胞基因组也可整

30、合到宿主细胞基因组中，随宿主基因复制和表达。中，随宿主基因复制和表达。二、逆转录研究的意义二、逆转录研究的意义 l逆转录酶和逆转录现象，是分子生物学逆转录酶和逆转录现象，是分子生物学研究中的重大发现，发展了中心法则。研究中的重大发现，发展了中心法则。 l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同样兼有遗传信息传代与表达功能同样兼有遗传信息传代与表达功能。l对逆转录病毒的研究，拓宽了病毒致癌对逆转录病毒的研究，拓宽了病毒致癌理论和病毒性疾病的研究（艾滋病）。理论和病毒性疾病的研究（艾滋病）。l逆转录应用于基因工程中（试管内合成逆转录应用于基因工程中（试管内合成cDN

31、A）图图。 1、滚环复制滚环复制(rolling circle replication) 是某些低等生物是某些低等生物环状环状DNA的的特殊特殊复制形复制形式，如式，如M13噬菌体等。噬菌体等。 A蛋白在复制起始点将蛋白在复制起始点将DNA外环打开缺外环打开缺口，口，55端外伸，在端外伸，在33端以内环为模板完成端以内环为模板完成第一次滚动复制。第一次滚动复制。 A蛋白切下母链外环，并以此为模板再蛋白切下母链外环，并以此为模板再次滚动复制，最后形成两个环状次滚动复制，最后形成两个环状DNA分子。分子。复制不需复制不需RNA引物。引物。图图 三、滚环复制和三、滚环复制和D环复制环复制2 2、D

32、D环复制环复制( (D-loop replication) ) 是是线粒体线粒体DNA的复制形式。因复制中呈的复制形式。因复制中呈字母字母D D形状得名。形状得名。 线粒体线粒体DNA复制起始点不在双链同一位复制起始点不在双链同一位点，内外环复制有时序差，复制需引物。点，内外环复制有时序差，复制需引物。 先在内环复制起始点以内环为模板复制，先在内环复制起始点以内环为模板复制，至外环复制起始点，以外环为模板反向复至外环复制起始点，以外环为模板反向复制，形成两个子代环状制，形成两个子代环状DNA。图图 DNA损伤损伤(DNA damage)或突变或突变(mutation) 是指一个碱基或片段是指一

33、个碱基或片段DNA在构成在构成 、复制或表型功能的异常变化。、复制或表型功能的异常变化。第五节第五节 DNA损伤（突变）与修复损伤（突变）与修复 （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 自发突变自发突变(spontaneous nutation) （二）突变形成（二）突变形成DNA的多态性的多态性 多态性多态性(polymorphism) 用来描述同物种个用来描述同物种个体之间的基因型差别现象。只有基因型改变体之间的基因型差别现象。只有基因型改变而没有表型改变的突变形成了而没有表型改变的突变形成了DNA的的多态性，多态性，如简并密码子上第三位碱基的改变等。如简并密码子

34、上第三位碱基的改变等。一、突变的意义一、突变的意义(三）致死性的突变可致死亡三）致死性的突变可致死亡 突变发生在对生命过程至关重要的基因突变发生在对生命过程至关重要的基因上，可导致个体、细胞的死亡。上，可导致个体、细胞的死亡。 (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 包括遗传病（血友病、地中海贫血等）；包括遗传病（血友病、地中海贫血等）；有遗传倾向的疾病（高血压病、糖尿病有遗传倾向的疾病（高血压病、糖尿病等）。等）。l物理因素：紫外线和各种辐射。物理因素：紫外线和各种辐射。l化学因素：化学诱变剂大多数是致癌化学因素：化学诱变剂大多数是致癌 物。（见书表）物。（见书表）l生物

35、因素：动物致瘤性病毒等。生物因素：动物致瘤性病毒等。二、引发突变的因素二、引发突变的因素三、突变的分子改变类型三、突变的分子改变类型l错配错配 (mismatch)l缺失缺失 (deletion)l插入插入 (insertion)l重排重排 (rearrangement)框移突变框移突变(frame-shift) （一）错配（一）错配 又称点突变又称点突变(point mutation)，DNA上某一碱上某一碱基的置换基的置换。 图图 (二二)缺失，插入和框移突变缺失，插入和框移突变 缺失、插入都可导致框移突变。缺失、插入都可导致框移突变。 框移突变是三联体密码的阅读方式改变，框移突变是三联体

36、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。造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。 图图 （三）重排（三）重排(rearrangement) DNA分子内发生较大片段的交换。分子内发生较大片段的交换。图图 （一）直接修复（光修复）（一）直接修复（光修复） 通过通过光修复酶光修复酶(photolyase)催化完成。催化完成。仅需仅需300-600nm波长照射，使嘧啶二聚波长照射，使嘧啶二聚体分解为原来的非聚合状态。普遍存在体分解为原来的非聚合状态。普遍存在于各种生物。于各种生物。 图图 四、四、DNA损伤的修复损伤的修复 （二）切除修复（二）切除修复 是细胞最重要和有效的修复方式。是细胞最

37、重要和有效的修复方式。 以原核生物以原核生物DNA紫外线损伤修复为例：紫外线损伤修复为例： 当当DNA紫外线损伤时（较大），与修复紫外线损伤时（较大），与修复有关的基因产生有关的基因产生UvrA、UvrB、UvrC (uvr=ultra-voilet resistant)。 UvrA、UvrB辨认结合辨认结合DNA损伤部位，损伤部位，UvrC有切除作用，修复过程有有切除作用，修复过程有DNA-pol I及连接酶参加。及连接酶参加。图图 (三三 ) 重组修复重组修复 当当DNA分子的损伤面较大，未及修复分子的损伤面较大，未及修复就进行复制时，损伤部位因无模板指引，就进行复制时，损伤部位因无模板指

38、引，复制出的子链会出现缺口复制出的子链会出现缺口 。 重组蛋白重组蛋白RecA将另一股健康的母链与将另一股健康的母链与缺口部分进行交换，以填补缺口。缺口部分进行交换，以填补缺口。 经多次复制后，损伤链所占比例越来越经多次复制后，损伤链所占比例越来越小，把损伤链小，把损伤链“稀释稀释”掉。掉。 图图（四）（四）SOS修复修复 是是DNA损伤广泛而诱发的一系列复损伤广泛而诱发的一系列复杂的修复反应。杂的修复反应。 SOS修复系统包括切除修复基因修复系统包括切除修复基因uvr类产物、重组修复基因类产物、重组修复基因rec类产物、调类产物、调控蛋白控蛋白LexA等。该系统的反应特异性等。该系统的反应特

39、异性低，对碱基的识别、选择能力差。低，对碱基的识别、选择能力差。 SOS修复的结果是修复的结果是DNA保留的错误较保留的错误较多，引起较广泛、长期的突变。多，引起较广泛、长期的突变。 DNA半保留复制的实验证据半保留复制的实验证据含含N15-DNA的细菌的细菌培养于培养于14NH4Cl培养液培养液 第一代第一代 第二代第二代梯度离心结果梯度离心结果培养于培养于14NH4Cl培养液培养液重重DNA普通普通DNA中等密中等密度度DNADNA返回返回DNADNA双向复制双向复制返回返回A. 环状双链环状双链DNA及复制起始点及复制起始点B. 复制中的两个复制叉复制中的两个复制叉C. 复制接近终止点复

40、制接近终止点(termination, ter)oriterA B C返回返回53oriorioriori535533返回返回3 5 3 5 解链方向解链方向3 5 3 3 5 领头链领头链(leading strand)随从链随从链(lagging strand)返回返回冈崎片段冈崎片段复制的化学反应复制的化学反应 返回返回673,5磷酸二酯键的生成磷酸二酯键的生成35返回返回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 l 3 5 外切酶活性外切酶活性 l 5 3 外

41、切酶活性外切酶活性?切除引物和突变的切除引物和突变的 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 返回返回69A: DNA聚合酶聚合酶 B : DNA聚合酶聚合酶AB返回返回70A: DNA聚合酶聚合酶 B : DNA聚合酶聚合酶AB返回返回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 l 3 5 外切酶活性外切酶活性 l 5 3 外切酶活性外切酶活性?切除引物和突变的切除引物和突变的 DNA片段。片段。

42、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 返回返回72返回返回E. Coli 基因图基因图返回返回解链过程中解链过程中DNADNA分子的缠绕打结分子的缠绕打结返回返回POO-O-OHO5POO-O-O335DNA连接酶连接酶ATPADPPi5353返回返回E.coli复制起始点复制起始点 oriC GATTNTTTATTT GATCTNTTNTATT GATCTCTTATTAG 1 13 17 29 32 44 1 13 17 29 32 44 TGTGGATTA-TTATACACA-TTTGGATAA-TTATCCACA58 66 166

43、174 201 209 237 24558 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 5 3 返回返回3 5 Dna CDna B DnaG3 5 ori CDnaB, DnaC ,DnaG与与OriC共同形成引发体共同形成引发体返回返回3 5 3 5 引物引物3 HO5SSBDna CDna B引物引物酶酶3 HO引物引物酶酶5复制起始完成复制起始完成返回返回拓扑异构酶拓扑异构酶3 5 3 5 引物引物3 HO5SSBDna CDna B引物引物酶酶3 HO引物引物酶酶5返回返回拓扑异构酶拓扑异构酶3 5 3 5 引物引物

44、3 HO5SSBDna CDna B引物引物酶酶3 HO引物引物酶酶5返回返回拓扑异构酶拓扑异构酶3 5 3 5 引物引物5SSBDna B引物引物酶酶5复制延长复制延长返回返回拓扑异构酶拓扑异构酶5聚合酶聚合酶复制延长过程复制延长过程返回返回5 5 5 RNA酶酶OHP5 DNA-pol dNTP5 5 PATP ADP+Pi5 5 DNA连接酶连接酶子链上不连续性片段的连接子链上不连续性片段的连接返回返回 ori53原核生物复制终止原核生物复制终止返回返回 ter ter ori33555335355 3 3 5 5 3 3 5 +5 3 3 3 3 5 5 返回返回5 53端粒酶端粒酶R

45、NA533 OH53逆转录逆转录反折反折5DNA-polDNA-pol，连接酶，连接酶返回返回TTTTGGGGTTTTGG-OH 3CCAAAACCCCAAAACCTTTTGGGGTTTTGGGGTTTTGG-OH3端粒酶端粒酶RNACCAAAACCCCAAAACC逆转录病毒细胞内的逆转录逆转录病毒细胞内的逆转录RNA 模板模板逆转录酶逆转录酶DNA-RNA 杂杂化双链化双链逆转录酶逆转录酶细胞细胞RNA酶酶单链单链DNA逆转录酶逆转录酶双链双链DNA返回返回逆转录酶逆转录酶A AA AT T T TAAAASISI核酸酶核酸酶 Klenow片段片段碱水解碱水解T T T T以以mRNA为模板

46、，经逆为模板，经逆转录合成双链转录合成双链cDNA (complementary DNA 。是基因工程获取目的是基因工程获取目的基 因 的 一 种 方 法基 因 的 一 种 方 法（cDNA法）法）。 试管内合成试管内合成cDNA返回返回3 -OH5 -P5滚环复制滚环复制5 A A蛋白蛋白A A蛋白蛋白返回返回dNTPDNA-pol D D 环环 复复 制制oriori返回返回镰形红细胞贫血病人镰形红细胞贫血病人HbHb 肽链肽链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HbHb 肽链肽链N-val his leu thr

47、pro glu glu C 肽链肽链CTC GAG基因基因66返回返回谷氨酸密码子谷氨酸密码子GAG缬氨酸密码子缬氨酸密码子GUG 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 缺失缺失C缺失引起框移突变缺失引起框移突变返回返回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HbHb 链和链和链基因重排链基因重排返回返回光光 修修 复复光修复酶光修复酶(photolyase) UV返回返回UvrAUvrBOHPDNA聚合酶聚合酶OHPDNA连连接酶接酶E.coli的切除的切除修复机制修复机制UvrCUvrB返回返回RecA返回返回9798