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1、1958年F.Crick提出中心法则（central dogma of molecular biology）复制（复制（replicationreplication） : :以亲代以亲代DNADNA为模板为模板, ,将亲代将亲代DNADNA上的遗传信息复制到子代上的遗传信息复制到子代DNADNA分子上的过程分子上的过程. .复制复制亲代亲代DNADNA子代子代DNADNA转录（转录（transcrptiontranscrption） : :以以DNADNA为模板合成与为模板合成与DNADNA某段某段核苷酸顺序相对应的核苷酸顺序相对应的RNARNA分子，将遗传信息传递到分子，将遗传信息传递到RN
2、ARNA分子中的过程分子中的过程. .DNADNARNARNA转录转录翻译（翻译（translationtranslation） : :以以RNARNA中中mRNAmRNA为模板为模板, ,按照其按照其核苷酸顺序所组成的密码指导蛋白质的合成的过程核苷酸顺序所组成的密码指导蛋白质的合成的过程. .mRNAmRNA蛋白质蛋白质翻译翻译1970年Howard .Temin补充逆转录 逆转录逆转录（reverse reverse transcrption transcrption ）：某些：某些病毒以病毒以RNARNA为模板合成为模板合成DNADNA的过程的过程复制复制复制复制DNA DNADNA D
3、NADNA DNADNA DNA（DDDPDDDPDDDPDDDP）逆转录逆转录逆转录逆转录RNA DNARNA DNARNA DNARNA DNA（RDDPRDDPRDDPRDDP） 第一节 DNA的生物合成DNADNA复制的一般特点复制的一般特点1 1、复制的方式、复制的方式半保留复制半保留复制(semi-conservative replication)(semi-conservative replication)2 2、半不连续复制、半不连续复制(semi-discontinuous replication(semi-discontinuous replication3 3、双向复制、
4、双向复制(bidirectional replication)(bidirectional replication)复制速度快复制速度快4 4、复制具高保真性、复制具高保真性(high fidelity) (high fidelity) ；错误率；错误率1010-10-10，校读校读DNADNA的半保留复制的半保留复制全保留复制全保留复制半保留复制半保留复制混合式复制混合式复制复制的基本特点复制的基本特点实验证据1958年Meselson等-氮标记技术-大肠杆菌半保留复制半保留复制(semi (semi conservative conservative replication ) repli
5、cation ) : : 以以DNADNA分子中的每一条链分子中的每一条链为模板为模板, ,通过碱基配对，通过碱基配对，合成两个新的合成两个新的DNADNA分子分子( (子代子代DNA),DNA),每个新每个新DNADNA分子的两条链中，其中分子的两条链中，其中一条链来自亲代一条链来自亲代DNA,DNA,另另一条链是新合成的。一条链是新合成的。领头链领头链(leading strand)(leading strand)随从链随从链(lagging strand)(lagging strand)复制的半不连续性复制的半不连续性顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为顺着解链方向生成的
6、子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链领头链另另一一股股链链因因为为复复制制的的方方向向与与解解链链方方向向相相反反，不不能能顺顺着着解解链链方方向向连连续续延延长长，这这股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。复制中的不连续片段称为复制中的不连续片段称为岡崎片段岡崎片段(okazaki fragment)(okazaki fragment)。 领头链连续复制而随从链不连续复制，就是领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制的半不连续性。复制的半不连续性。 真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子的复制。真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子的复制。习惯上把两个相邻起始点
7、之间的距离定为一个习惯上把两个相邻起始点之间的距离定为一个复制子复制子(replicon) (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。 53oriorioriori535533553复制子复制子35 3 3 5 5 3 3 5 底物底物( (substratesubstrate) )dNTPdNTP（A、G、C、T）模板(template) (template) 解成单链的单链的DNADNA引物引物(primer)(primer)RNA提供3-OH末端DNA-pol不能催化两个dNTP聚合碱基互补配对A=T；CG酶和蛋白因子DDDP方向性5353复
8、制反应体系复制需要的酶复制需要的酶DNADNA聚合酶聚合酶（DNA-polDNA-pol）解螺旋酶解螺旋酶（helicasehelicase）拓扑异构酶拓扑异构酶(topoisomerase(topoisomerase）单链结合蛋白单链结合蛋白SSBPSSBP（single strand binding proteins single strand binding proteins ）引物酶引物酶 (primase(primase）DNADNA连接酶连接酶(ligase)(ligase)催化的化学反应(dNMP)n+dNTP(dNMP)n+1+PPi3-OH-P磷酸二酯键-P和-P复制的方向性
9、：5端3端聚合反应的特点聚合反应的特点DNA 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 5 3 3 方向方向进行进行 。DNADNA聚合酶聚合酶（DNA polymeraseDNA polymerase）（DNA-directed DNA polymerase, DDDPDNA-directed DNA polymerase, DDDP）原核生物原核生物DNADNA聚合酶聚合酶19581958年年A.KornbergA.Kornberg大肠杆菌中发现大肠杆菌中发现真核生物真核生物DNADNA聚合酶聚合酶原核生物DNA聚合酶（大肠杆菌）DNA聚合酶D
10、NA聚合酶 DNA聚合酶分子量109KD120KD250KD数量比400402053聚合活性+ 20bp +53外切活性+去除引物+-35外切活性+校读+活性比110功能填补空缺应急修复复制去除引物修复（校读）5 5 3 3外切酶3 3 55 外切酶活性外切酶活性5 5 33 外切酶活性外切酶活性内切酶中间切片段限制性核酸内切酶ABDFERGHIJKLMNOPQC323aa,小片段53核酸外切酶活性：切除引物604aa，大片段，Klenow fragment53聚合酶活性35核酸外切酶活性即时校读18个-螺旋片段（A-R）工具酶工具酶功能功能是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。是原核生物复
11、制延长中真正起催化作用的酶。 DNA-pol DNA-pol (250kD)(250kD)细胞定位核核 线粒体核核3 5外切酶活性- - -功能引物合成；复制随从链切除修复复制复制领头链校读、修复真核生物DNA聚合酶解螺旋酶解螺旋酶（helicasehelicase）DNADNA双链之间的氢键解开成单链，需双链之间的氢键解开成单链，需2ATP/bp2ATP/bp结合、脱离，不沿解链方向前进结合、脱离，不沿解链方向前进功能：复制中结合单链功能：复制中结合单链DNADNA，维持模板，维持模板的单链状态并保持单链完整的单链状态并保持单链完整单链结合蛋白单链结合蛋白( (single strand b
12、inding proteins single strand binding proteins ，SSBPSSBP) )拓扑正超螺旋：盘绕过分负超螺旋：盘绕不足功能：水解和连接磷酸二酯键，松驰超螺旋（切断，旋转，再连结）拓扑异构酶(Topo)切断DNA双链的一股，ATP拓扑异构酶(Topo)切断超螺旋DNA双链松驰正超螺旋，ATP负超螺旋，ATPDNA拓扑异构酶(topoisomerase）引物酶：RNARNA聚合酶（聚合酶（DnaGDnaG蛋白）蛋白） 引物RNA（10-30Nt）提供3-OH末端供dNTP加入连续复制：一个引发体;不连续复制：多个引发体引物酶（primase）DNA连接酶(l
13、igase) 形成一个磷酸二酯键工具酶HO5335DNA连接酶连接酶ATPADP5353DNA生物合成过程起始延长终止E. Coli 基因图基因图复制的起始复制的起始:DNA:DNA解链形成引发体解链形成引发体DnaADnaA辨认复制起始点辨认复制起始点（origins of replication, oriCorigins of replication, oriC）DnaC DnaC 协助协助DnaB DnaB 解旋、解链解旋、解链SSBSSB蛋白；蛋白；DnaGDnaG合成引物合成引物: :引物合成方向：引物合成方向：5353拓扑异构酶解旋拓扑异构酶解旋原核生物复制过程原核生物复制过程E.
14、coli复制起始点oriC跨度245bp3组串联重复序列2对反向重复序列领头链的合成领头链的合成目目 录录复制的延长复制的延长: :领头链连续复制领头链连续复制, ,随从链不连续复制随从链不连续复制随从链的合成目目 录录复复制制过过程程简简图图目目 录录RNARNA引物的切除引物的切除合成DNADNA填补空隙填补空隙连接断端缺口连接断端缺口DNA-polDNA-pol前方复制片断提供3-OH末端DNA连接 酶 DNA-polDNA-pol复制的终止复制的终止: :切除引物、填补空缺和连接切口切除引物、填补空缺和连接切口哺乳动物的哺乳动物的细胞周期细胞周期DNADNA合成期合成期G G1 1G
15、G2 2S SM M二、真核生物的二、真核生物的DNADNA生物合成生物合成 细细胞胞能能否否分分裂裂，决决定定于于进进入入S S期期及及M M期期这这两两个个关关键键点。点。G1SG1S及及G2MG2M的调节，与蛋白激酶活性有关。的调节，与蛋白激酶活性有关。 蛋蛋白白激激酶酶通通过过磷磷酸酸化化激激活活或或抑抑制制各各种种复复制制因因子子而而实施调控作用。实施调控作用。 滚环复制简单低等生物或染色体以外的DNA采取的复制形式如如 X174和和M13噬菌体等。噬菌体等。3 -OH5 -P5 5 5 3 3 3 3 5滚环复制滚环复制5 5 3 3 5 ：复制的起始RNARNA引物的形成引物的形
16、成真核生物复制过程起点辨认复合物起点辨认复合物ORCORC辨认辨认ori小染色体维系蛋白小染色体维系蛋白MCM MCM 解旋、解链解旋、解链SSBSSB蛋白蛋白引物酶与引物酶与DNA-polDNA-pol形成复合物合成引物（8-10bp）引物合成方向：5353拓扑异构酶解旋复制的延长原核生物真核生物化学本质磷酸二酯键磷酸二酯键的形成的形成，dNTP的加入酶DNA-pol(不连续复制）冈崎片段DNA-pol（连续复制）合成方向5端 3端复制速度慢些，但多个复制子同时复制速度也很快复制特点半不连续复制（semidiscontinuous replication） 染色体染色体DNADNA呈线状，复
17、制在末端停止。呈线状，复制在末端停止。复制中岡崎片段的连接，复制子之间的连接。复制中岡崎片段的连接，复制子之间的连接。染色体两端染色体两端DNADNA子链上最后复制的子链上最后复制的RNARNA引物，去引物，去除后留下空隙。除后留下空隙。复制的终止线粒体DNA的复制环形DNA，有37个基因，13个编码ATP合成的酶22个转录为tRNA，2个转录为rRNA；易突变；不易修复，与衰老有关；遗传密码与通用密码有区别Lagging strand originLeading strand originDisplaced strandLagging strand originMitochondrial D
18、NA replication第四节 逆转录过程1970年Temin等在致癌RNA病毒中发现病毒以RNA为模板-逆转录酶(RDDP) 双链DNA。RNA cDNA水解杂化链上的RNAcDNA DNA存在：RNA病毒、哺乳动物胚胎细胞、正在分裂的淋巴细胞Peyton Rous（18791970）American pathologist In 1910 Rous found that sarcomas in hens could be transmitted to fowl of the same inbred stock not only by grafting tumour cells but
19、also by injecting a submicroscopic agent extractable from them; this discovery gave rise to the virus theory of cancer causation. Rouss discovery of cancer-inducing viruses （Rouss sarcoma virus，RSV）earned him a share of the Nobel Prize for Physiology or Medicine in 1966.（一）（一） History of reverse tra
20、nscription researchingHistory of reverse transcription researching Rous sarcoma can induce cancerThe discovery of transcriptaseAs early as 1963, Howard Temin had shown that replication of retroviruses was sensitive to not only to the transcription inhibitors Actinomycin D, but more curiously, nucleo
21、side analogue like 5-cytosine arabinoside, which were known to inhibit DNA replication. In 1970, the famous provirus hypothesis was made, and shortly afterwards Howard Temin and David Baltimore separately isolated and described reverse transcriptase. David BaltimoreTemin “ for their discoveries conc
22、erning the interaction between tumour viruses and the genetic material of the cell ” Awarded the Nobel Prize for Physiology and Medicine in 1975RNARNARNARNARNARNARNARNA cDNA(-) cDNA(-) cDNA(-) cDNA(-)cDNA(-)cDNA(-)cDNA(-)cDNA(-)DNA(-)DNA(-)DNA(-)DNA(-)DNA(+)DNA(+)DNA(+)DNA(+)1.RNA1.RNA1.RNA1.RNA指导指导
23、指导指导DNADNADNADNA合成合成合成合成2.RNA2.RNA2.RNA2.RNA水解水解水解水解3.DNA3.DNA3.DNA3.DNA指导指导指导指导DNADNADNADNA合成合成合成合成逆转录酶的作用逆转录酶的作用逆转录酶的作用逆转录酶的作用RDDP: RNA-dependent DNA polymeraseDDDP ：DNA -dependent DNA polymeraseRNaseHDNADNA聚合酶活性聚合酶活性RNase HRNase H活性活性DNADNA指导的指导的DNADNA聚聚合酶活性合酶活性有些反转录酶有有些反转录酶有DNADNA内切酶活性内切酶活性大多数反转
24、录酶的几种活性水解杂化链上RNA分子 可能与病毒基因整合到宿主细胞染色体DNA中有关无无3 355外切酶活外切酶活性性无校正功能，无校正功能，出错率高出错率高三、端粒（telomere）DNA的合成新链5端引物被降解后留下空隙无法填补DNA复制一次短一些 事实上多数染色体经多次复制不缩短3 5 3 5 Direction movement of replication fork35335leading strandlagging strand?端粒：真核生物染色体端区DNA片断，不含遗传信息，富含C、G重复序列.人的端粒DNA为（TTAGGG）n端粒酶（telomerase） ：逆转录合成端粒
25、（即是模板又是逆转录酶）RNA-蛋白质复合物作用：维持染色体稳定性维持DNA复制完整性活性降低与衰老有关；活性升高与肿瘤有关TTTTGGGGTTTTGGGG 3端粒酶的催端粒酶的催化延长作用化延长作用爬爬行行模模型型自发性突变DNA复制中的错误经校正后的错配率仍约在1010左右环境因素物理因素生物因素化学因素（一）引发突变的因素第五节 DNA的损伤与修复紫外线紫外线 嘧啶嘧啶二聚体最常见TT皮肤癌氯臭氧赤道紫外线电离辐射电离辐射手机？贫铀弹放射科原子弹物理因素 UV化学因素烷化剂烷化剂亚硝酸盐亚硝酸盐多环芳烃多环芳烃黄曲霉素黄曲霉素B B化学武器:氮芥、硫芥等，G GCH3致癌剂（肝癌）使C-
26、脱氨U苯并比（不完全燃烧产生的烟雾中）生物因素寄生虫病毒DNA病毒RNA病毒乙肝病毒HIV病毒二、基因突变错配(点突变)缺失缺失插入插入重排转换转换（transitiontransition）颠换颠换（transversiontransversion）镰刀型细胞贫血病：血红蛋白链第6号氨基酸（谷GAG 缬GTG） 框移突变框移突变（ frame shifts frame shifts ）：突变位置后所有氨基酸突变（一）基因突变的类型同义突变（ mutation ）错义突变（missense mutation）无义突变（nonsense mutation） ACCTAA GTGGTATGCGA=
27、TorG=CNonsense mutationNonsense mutationValC C，A A，G GSamesense mutationSamesense mutationAla AspA AMissense mutationMissense mutationA ATyr termination codetransitiontransversionNormal Hemoglobin Beta ChainFirst six amino acidsHemoglobin S Beta ChainFirst six amino acidsSickle Cell Anemia Gene for
28、making hemoglobin is changed from normalValValProThrLeuHisCACOne nucleotide has changedCTCValGluProThrLeuHis123654插入插入缬缺失缺失丙酪甘 丝精苏天冬脯丝组甘缬丙缬缬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三、DNA的损伤及修复直接修复切除修复重组修复SOS修复最早发现使DNA恢复原样 细菌中的DNA光修复酶（photoreactivating enzyme）将嘧啶二聚体（TT）分解为两个嘧啶单体光光复活酶：酶：300-600nm300-600nm使
29、之活化使之活化最普遍方式切除修复碱基切除修复DNA糖基化酶（glycoylase）切除不正常碱基：切除糖苷键无碱基核酸内切酶（AP endonuclease）：5侧切开磷酸二酯键DNA-pol53聚合酶活性填补空隙DNA连接酶核苷酸切除修复特异核酸内切酶识别并切除损伤部位核苷酸碱基切除修复核苷酸切除修复Skin Cancer in xeroderma pigmentosum(XP)Caused by defect in excision repairXP is an autosomal (常染色体常染色体)recessive genetic disease.The clinical syndr
30、ome includes marked sensitivity to ultraviolet with subsequent formation of multiple skin cancers and premature death. The risk of developing skin cancer is increased 1000-to 2000-fold.重组修复DNA损伤严重来不及修补已开始复制不能完全去除损伤多次复制后，损伤被“冲淡”了子代细胞中只有一个细胞是带有损伤DNA的酶重组修复基因recA基因 RecA蛋白，具核酸酶功能SOS修复SOS国际海难信号应急修复指DNA受到严重损伤、细胞处于危急状态时诱导的DNA修复方式错误较多，使细胞有较高的突变率， 与肿瘤有关切除修复重组修复调控蛋白酶Uvr类蛋白Rec类蛋白DNA-polLexA
