基因组核酸的复制

基因组核酸的复制 基本要求： 1.掌握与不同基因组 DNA 和 RNA 复制有关的基本概念包括：半保留复制，半不连续复 制，双向复制，复制叉，复制子，岡崎片段，滚环复制，端粒等 2.掌握复制的过程，以及复制特点；并掌握各类原核与真核生物基因组核酸复制的相同 点与不同点 3.掌握不同基因组病毒的核酸复制模式 了解过程中涉及到的各种酶、蛋白因子 重点：完善而复杂的 DNA 复制和复制调控体系（RNA 病毒的基因组 RNA 有其独特复制方 式）保证基因组核酸的准确复制及其入细胞分类的协调不同的基因组都遵循共同的规 律，不同的生物物种因其基因组结构上的差异由各有自己的复制特点 难点：１、DNA 的双螺旋结构是复制的结构基础DNA 复制的实质为酶催化的脱氧核糖 核苷酸的聚合反应具有半保留复制，是半不连续复制、双向复制的共同特点，而不同 的 DNA 复制具有复杂的不同特点，其中每一阶段需要有许多酶和蛋白因子参与不同生 物基因组在复制过程中的特点真核生物的复制与原核生物相比，为多个起始点、5 种 DNA 聚合酶以及有端粒复制等特点 ２、病毒以 RNA 为基因组核酸，但这些 RNA 因结构不同而有着不同的复制特点。

第一节 各种基因组核酸的复制具有共同机制和不同特点 一 、不同基因组 DNA 复制的过程既有共同机制又有不同特点 复制（replication）：即 DNA 的生物合成，以 DNA 为模板指导合成相同的 DNA 分子， 使遗传信息从亲代传递到子代的过程RNA 病毒的遗传信息储存于 RNA 分子中，可进行 RNA 复制并反转录合成 DNA （一）不同基因组 DNA 复制的过程具有共同机制 1、都具有固定的复制起点 复制起点（origin of replication，ori）：控制起始的位点一般含有短的重复序列， 可因被相关蛋白识别和结合 2、复制过程中形成复制泡或复制叉 一个复制泡＝两个复制叉（向相反的方向双向复制） 复制叉（replication fork）： DNA 的复制从起始后，双螺旋结构被打开，分开的两股 单链分别作为新 DNA 合成的模板，DNA 合成从起点开始向两个方向进行，与单一起点相 连的局部结构形状呈“Y”型，称复制叉结构 注意：少数 DNA 也可以进行单向复制，如腺病毒 DNA 复制聪两个起始点开始，各异相反 的单一方向生长出一条新链 3、复制的基本单位为复制子 复制子 （replicon） 从一个复制起点开始所复制的 DNA 分子或 DNA 片段是一个基本单位。

4、半保留复制方式保证遗传信息的忠实传递 半保留复制（semiconservative replication）：DNA 复制时，亲代 DNA 双螺旋结构解 开，分别以解开的两股单链为模板，以 dNTP(dATP、 dGTP 、dTTP 、dCTP)为原料，按 照碱基互补的原则，合成与模板链互补的新链，从而形成两个子代 DNA 双链，其结构与 亲代 DNA 双链完全一致因子代 DNA 双链中的一股单链源自亲代，另一股单链为合成的 新链，形成的双链与亲代双链的碱基序列完全一致，故称为半保留复制 5、半不连续复制方式克服了 DNA 空间结构对 DNA 新链合成的制约 半不连续复制：复制过程中，催化 DNA 合成的 DNA 聚合酶只能催化核苷酸从 5’→3’ 方向合成，以 3’→ 5’链为模板时，新生的 DNA 以 5’→3’方向连续合成；而以 5’ →3’为模板只能合成若干反向互补的岡崎片段，这些片段再相连成完整的新链，故称 半不连续复制 （二） 不同的基因组 DNA 复制具有不同的特点 1、真核生物基因组 DNA 复制过程中涉及逆转录 由于真核生物 DNA 是线性 DNA，所以其末端的一部分需要以逆转录的方式合成。

2、基因组单链 DNA 通过复制中间体完成复制 3、有的基因组 DNA 需要通过 RNA 中心体进行复制 ４、双链环状 DNA 也有不同的复制方式：如θ复制、滚环复制、Ｄ环复制 二、不同基因组ＲＮＡ可以通过不同的模式进行复制 １、双链ＲＮＡ复制的过程是双链复制 ２、单链正链ＲＮＡ以负链为模板进行复制 ３、单链负链ＲＮＡ以正链ＲＮＡ为模板进行复制 ４、逆转录病毒基因组ＲＮＡ需要通过ＤＮＡ中间体进行复制 三、细胞的每一次分裂过程都伴随基因组的复制 （一）细胞染色体ＤＮＡ在每一次细胞分裂过程中复制一次 细菌包括 DNA 复制在细胞增生过程中进行，质粒复制是独立进行的 1、细菌染色体 DNA 的复制频率可调节 细菌的增值速度是可以根据生长条件不同而改变的，快速分裂的细菌复制起始频率高， 而分裂缓慢的细菌复制起始频率低，这种机制可能与一些复制起始相关因子有关 如 DnaA 蛋白对复制起始有正调控作用， 它的浓度在某种程度上可能对此过程有所影响 2、特定的机制保证复制频率与细胞分裂周期相适应 甲基化机制：DNA 复制起始点 oriC 中有 11 个拷贝的 GATC 序列，该序列中 A 的甲基 化修饰对保持 DNA 复制与细胞周期一致有重要的意义。

（二）真核生物基因组 DNA 在每一个细胞周期中复制一次 真核细胞的一生可以定义为一个细胞周期， 细胞增殖时， DNA 通过复制使其含量成倍增 加，随后细胞分裂，成为两个子代细胞，DNA 将亲代的特征传递到子代细胞周期包括 G1 期、S 期、G2 期和 M 期， DNA 的复制只发生在 S 期在 S 期，所有的复制起点只开 放一次，保证每个周期中所有染色体 DNA 都得到复制，而且只复制一次 了解细胞周期蛋白 D 所以激活的 SDK（cyclin-dependent kinase），和以 SDK 为底物的 复制许可因子只有在有丝分裂的末期、核算重组之前复制许可因子可以进入细胞核与 DNA 复制起点结合 （三）质粒 DNA 和病毒基因组核算的复制通常不受细胞分裂过程的影响 1、质粒是能够独立复制的细菌基因组成分 质粒是染色体外能够进行自主复制的遗传单位， 包括真核生物的细胞器和细菌细胞中染 色体以外的脱氧核糖核酸(DNA)分子现在习惯上用来专指细菌、酵母菌和放线菌等生 物中染色体以外的 DNA 分子在基因工程中质粒常被用做基因的载体许多细菌除了染 色体外，还有大量很小的环状 DNA 分子，这就是质粒(plasmid)。

2、病毒核酸本身也是自主复制 第二节 原核生物基因组可以不同的模式复制 原核生物染色体 DNA 和质粒等都是共价环闭合的 DNA 分子， 复制过程有相似处却也不尽 相同 一、原核生物染色体 DNA 具有特定的复制起点和终点结构 DNA 的合成过程：可将复制过程分为起始、延长和终止三个阶段 复制起始： （1） 辨认起始点，合成引发体：在 E.coli，复制起始点称为 oriC，具有特定结构能 够被 DnaA 蛋白辨认结合，DnaB 蛋白具有解螺旋作用，DnaC 蛋白使 DnaB 蛋白结合于起 始点，DNA 双链局部被打开，引物酶及其他蛋白加入，形成引发体（primosome）是由 DnaA 蛋白、DnaB 蛋白（解螺旋酶）、DnaC 蛋白、引物酶和 DNA 的起始复制区域共同形 成的一个复合结构DnaA 蛋白辨认复制起始点，DnaB 蛋白有解螺旋作用，DnaC 蛋白使 DnaB 蛋白组装到复制起始点，引物酶合成引物 （2） 形成单链：DNA 进行复制时，首先在拓扑异构酶作用下，使分子的超螺旋构象变化，然后在解链酶的作用下，解开双链，才能开始进行 DNA 的合成解螺旋酶在蛋白因 子的辅助下打开 DNA 双链，单链结合蛋白 SSB 结合于处于单链状态模板链上；拓扑异构 酶使 DNA 分子避免打结、缠绕等，在复制全过程中起作用。

（3） 合成引物：引发体中的引物酶催化合成 RNA 引物，由引物提供 3’-OH 基，使复 制开始进行领头连和随从链均由引物酶合成引物，随从链在复制中需多次合成引物 复制延长： （1） 复制方向：原核生物如 E.coli，只有一个起始点 oriC，两个复制叉同时向两个 方向进行复制，称为双向复制 （2） 链的延长：按照与模板链碱基配对的原则，在 DNA 聚合酶 III 的作用下，逐个 加入脱氧核糖核酸，使链延长由于 DNA 双链走向相反，DNA 聚合酶只能催化核苷酸从 5’→3’方向合成，领头链的复制方向与解链方向一致，可以连续复制，而另一股模板 链沿 5’→3’方向解开， 随从链的复制方向与解链方向相反， 复制只能在模板链解开一 定长度后进行，因此随从链的合成是不连续的，形成的是若干个岡崎片段DNA 聚合酶 I 的即时校读，DNA 聚合酶 III 的碱基选择功能，使复制具有保真性 复制终止： 原核生物如 E.coli， 他的两个复制叉的汇合点就是复制的终点 由 RNA 酶切去领头链和 随从链中的引物，引物留下的空隙由 DNA 聚合酶 I 催化，四种脱氧核糖三磷酸为原料自 5’→3’方向延长填补。

最后， DNA 连接酶由 ATP 供能， 将两个不连续片段相邻的 5’-P 和 3’-OH 连接起来，成为连续的子链，复制完成 二、某些环状 DNA 通过θ型模式进行复制 1963 年 Cairns 设计了一实验 他将细菌 E.coli 放在含有标记的 T 的培养基中培养， 新 合成的 DNA 链中含有放射性，按半保留复制模型，培养一代后产生的环状子染色体中应 有一条单链是被标记的那么继续在含培养基中培养 1 代时，第二轮复制已经开始，每 个环状染色体含 3H 的部分，此时将溶菌酶缓慢裂解细胞壁，以提取完整的环状 DNA 放 到透析膜上，再固定在载片上，罩上照相底片后置于暗处二月，进行放射自显影，由于 释放出的粒子可使照片底片曝光，显示出标记的部分在电镜下观察、摄影，获得了θ （theta） 结构 因此现在对环状染色体的半保留复制也称θ型复制（θreplication） 三、某些环状 DNA 可通过滚环模式进行复制 滚环复制（rolling-circle replication）复制环状 DNA 的一种模式，在该模式中，DNA 聚合酶结合在一个缺口链的 3ˊ端绕环合成与模板链互补的 DNA，每一轮都是新合成的 DNA 取代前一轮合成的 DNA。

第三节 真核生物基因组 DNA 的复制具有与原核生物基因组 DNA 复制不同的特点 一、真核生物 DNA 复制时需要解开和重新组装核小体结构 真核生物的 DNA 缠绕在组蛋白八聚体上，形成核小体复制叉经过时要解开核小体，之 后还要重新合成核小体 组蛋白的合成在细胞周期的 S 期与 DNA 复制同步进行，ＤＮＡ边合成，边组装 了解组蛋白合成的程序 二、真核生物染色体 DNA 的复制从多个位点起始 多复制子： 真核生物的 DNA 复制也是半保留复制 染色体线性分子的复制有多个起始点， 每个起始点由两个反向运动的复制叉组成，进行双向复制由一个起始点控制的 DNA 复 制称为一个复制子 所以真核生物 DNA 从总体上可以快速进行 三、真核生物染色体 DNA 需要特殊机制复制端粒 端粒（telomere）：真核染色体 DNA 是线性分子，其末端是由 DNA 和蛋白质组成的一种 特殊结构端粒是由重复序列组成，人的端粒中，一条 DNA 链的重复序列为 TTAGGG，另 一条是 CCCTAA 端粒复制：真核生物染色体线性分子的复制，领头链可连续完整复制，而随从链 3’端 引物除去后的空隙无法填补，会造成缩短了的子代的双链，解决的途径是用端粒酶来复制染色体的末端（端粒）。

端粒是染色体末端具有特定重复序列和蛋白质的结构，端粒 酶是一种逆转录酶，由酶和含重复序列的 RNA 分子组成，它以自身的 RNA 分子为模板从 随从链的 。