第14章DNA的生物合成

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1、遗传信息的遗传信息的传递与表达传递与表达生物化学主要研究内容生物化学主要研究内容基因（基因（genegene）：）： 生物活性产物编码的最小的生物活性产物编码的最小的DNA功能片段功能片段。其产物为各种其产物为各种RNA或蛋白质。或蛋白质。基因组（基因组（genome)genome)： 某一物种拥有的全部遗传物质，从分子意义某一物种拥有的全部遗传物质，从分子意义上说，是指全部上说，是指全部DNADNA序列。序列。基因表达（基因表达（gene expressiongene expression）：）： 指指DNADNA分子中的遗传信息通过转录和翻译合分子中的遗传信息通过转录和翻译合成出蛋白质的过

2、程。成出蛋白质的过程。中心法则（中心法则（the central dogma）第第 十四十四 章章 DNADNA的生物合成的生物合成导导 学学1. 掌握掌握DNA复制的复制的基本基本规律规律。2. 掌握参与掌握参与DNA复制的各种主要酶的功能。复制的各种主要酶的功能。3. 掌握掌握DNA生物合成的基本过程生物合成的基本过程。掌握端粒的概念、掌握端粒的概念、合成和意义。合成和意义。4. 掌握逆转录的概念。了解逆转录的应用。掌握逆转录的概念。了解逆转录的应用。5. 掌握掌握DNA损伤修复的类型及特点。了解损伤修复的类型及特点。了解DNA突变突变的类型。的类型。14.1 DNA14.1 DNA复制的

3、特征复制的特征14.2 DNA14.2 DNA复制的酶学复制的酶学14.3 DNA14.3 DNA复制的过程复制的过程14.4 14.4 端粒端粒DNADNA的合成的合成14.5 14.5 逆转录作用逆转录作用14.6 DNA14.6 DNA的损伤与修复的损伤与修复14.7 14.7 基因重组和克隆基因重组和克隆14.1 DNA14.1 DNA复制的特征复制的特征半保留复制半保留复制 (semi-conservative replication)(semi-conservative replication)双向复制双向复制 (bidirectional replication)(bidirec

4、tional replication)半不连续复制半不连续复制 (semi-discontinuous (semi-discontinuous replication) replication) 14.1.1 DNA14.1.1 DNA的半保留复制的半保留复制 全保留式全保留式 半保留式半保留式 混合式混合式 子链继承母链遗传信息的几种可能方式子链继承母链遗传信息的几种可能方式半保留复制的实验证据：半保留复制的实验证据：MeselsonMeselson & Stahl, 1958& Stahl, 1958同同 位位 素素1515N N标标 记记 放放 射射CsClCsCl密度梯度离心实验。密度

5、梯度离心实验。首首先先验验明明了了DNADNA的的半半保留复制的假说。保留复制的假说。14.1.1 DNA14.1.1 DNA的半保留复制的半保留复制半保留复制半保留复制（semi-semi-conservative replicationconservative replication）：）： 复制时，每一条复制时，每一条DNADNA链在新链合链在新链合成中充当模板，按碱基配对方式形成中充当模板，按碱基配对方式形成两个新的成两个新的DNADNA分子，每个分子都含分子，每个分子都含有一条新链和一条旧链。有一条新链和一条旧链。新链新链旧链旧链14.1.1 DNA14.1.1 DNA的半保留复制的

6、半保留复制生物学意义：生物学意义： 半半半半保保保保留留留留复复复复制制制制的的的的这这这这种种种种方方方方式式式式可可可可保保保保证证证证亲亲亲亲代代代代的的的的遗遗遗遗传传传传特特特特征征征征完完完完整整整整无无无无误误误误的的的的传传传传递递递递给给给给子子子子代代代代，体体体体现现现现了了了了遗遗遗遗传传传传的的的的保守性保守性保守性保守性。14.1.1 DNA14.1.1 DNA的半保留复制的半保留复制复制叉（复制叉（replication forkreplication fork） 复复制制开开始始后后由由于于DNADNA双双链链解解开开，在在两两股股单单链链上上进进行行复复制制，

7、形形成成的的Y Y字状结构字状结构。14.1.2 DNA14.1.2 DNA的双向复制的双向复制双向复制双向复制双向复制验证试验双向复制验证试验单向复制单向复制第一次脉冲标记： 低放射性低放射性 （蓝色）第二次脉冲标记： 高放射性高放射性（红色内环）19631963年年CairnsCairns，3 3H H掺入放射自显影实验。掺入放射自显影实验。14.1.2 DNA14.1.2 DNA的双向复制的双向复制双向复制双向复制 DNADNA从从起始点起始点(origin)(origin)向两个方向解链，形成两个延伸方向两个方向解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为向相反的复制叉，称为双向复制双向复

8、制。14.1.2 DNA14.1.2 DNA的双向复制的双向复制原核生物双向复制原核生物双向复制 型复制型复制 只有一个复制起始点。只有一个复制起始点。14.1.2 DNA14.1.2 DNA的双向复制的双向复制复制子（复制子（replicon） 真核生物双向复制中两个起始点之间的真核生物双向复制中两个起始点之间的DNADNA片段。片段。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。染色体染色体DNADNA有有多个复制起始点多个复制起始点。合成方向和速度合成方向和速度方向：方向： 新生新生DNADNA链的合成方向为：链的合成方向为：5 533。速度：速度： 原核生物复制叉移动

9、快（约原核生物复制叉移动快（约10105 5 bp/minbp/min） E.coli E.coli的的5 510106 6个碱基在个碱基在30min30min内可以完成一次复制。内可以完成一次复制。 真核生物复制叉移动慢（约真核生物复制叉移动慢（约5 510102 25 510103 3 bp/minbp/min） 人的人的3 310109 9个碱基在个碱基在8h8h内可以完成一次复制。内可以完成一次复制。 （0.8min0.8min可以复制一次人的可以复制一次人的5 510106 6个碱基）个碱基） 为什么不是为什么不是3 355？为什么真核生物复制叉移为什么真核生物复制叉移动快却没有真核

10、生物复制动快却没有真核生物复制效率高？效率高？14.1.2 DNA14.1.2 DNA的双向复制的双向复制14.1.2 DNA14.1.2 DNA的半不连续复制的半不连续复制DNADNA复制的几种可能方式复制的几种可能方式长片段长片段短时间短时间3 3H H掺入掺入长片段长片段+短片段短片段短片段短片段 自显影自显影& & 提取提取DNADNA长片段长片段长片段长片段短片段短片段长时间长时间3 3H H掺入掺入OkazakiOkazaki，19681968DNADNA的半不连续复制的半不连续复制（semi-discontinuous replicationsemi-discontinuous

11、replication）：）： 前导链（前导链（ leading strand leading strand ）的连续复制和）的连续复制和后随链（后随链（ lagging strand lagging strand ）的不连续复制方式。）的不连续复制方式。14.1.2 DNA14.1.2 DNA的半不连续复制的半不连续复制冈崎片段（冈崎片段（Okazaki fragmentOkazaki fragment）：）： 在不连续的后随链在不连续的后随链DNADNA合成中形成的合成中形成的DNADNA短片段。短片段。在原核生物有在原核生物有1000100020002000核苷酸，真核生物约核苷酸，真核

12、生物约100100200200核苷酸。核苷酸。14.1.2 DNA14.1.2 DNA的半不连续复制的半不连续复制35533553前导链：连续复制前导链：连续复制冈崎片段冈崎片段复制叉复制叉复制叉复制叉后随链：不连续复制后随链：不连续复制3 55 314.1 DNA14.1 DNA复制的特征复制的特征小结小结1 1、三种特征：半保留、双向、不连续性。、三种特征：半保留、双向、不连续性。 2 2、生物科学问题研究方式、生物科学问题研究方式 提出问题提出问题建立假说建立假说实验验证实验验证底物底物: : dNTP (A/G/C/T) dNTP (A/G/C/T) 聚合酶聚合酶: : 依赖依赖DNA

13、DNA的的DNADNA聚合酶聚合酶其他酶其他酶: : 拓扑异构酶、解螺旋酶、单链拓扑异构酶、解螺旋酶、单链DNADNA结合蛋白、连接酶。结合蛋白、连接酶。14.2 DNA14.2 DNA复制的酶学复制的酶学DNADNA复制的体系复制的体系模板模板: : 解开成单链的解开成单链的DNADNA母链母链引物引物: : 提供提供3 3-OH-OH末端的寡核苷酸末端的寡核苷酸DNADNA聚合酶（聚合酶（DNA polymeraseDNA polymerase，DNA-polDNA-pol）： 以单链或双链以单链或双链DNA为模板，催化由脱氧核苷三磷酸合成为模板，催化由脱氧核苷三磷酸合成DNA的酶。的酶。

14、活性：活性： 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种类：种类： 大肠杆菌：大肠杆菌：DNADNA聚合酶聚合酶、和和。 真核生物：真核生物：含有含有DNADNA聚合酶聚合酶 、 、和和。14.2.1 DNA14.2.1 DNA聚合酶聚合酶 14.2.1 DNA14.2.1 DNA聚合酶聚合酶 聚合活性的化学反应聚合活性的化学反应Polymerase(dNMP)n + dNTP (dNMP)n+1 + PPi 聚合活性的作用特点聚合活性的作用特点 4 4种种dNTPdNTP底物（底物（A/G/C/TA/G/C/T）, ,与之有高度亲和力；与之有高度亲和力； 接受模板

15、指导；接受模板指导； 遵循碱基互补原则，识别是否是正确的碱基；遵循碱基互补原则，识别是否是正确的碱基； 无法催化无法催化2 2个游离的单核苷酸形成磷酸酯键；个游离的单核苷酸形成磷酸酯键； 需引物提供需引物提供3-OH3-OH； 新链生长方向：新链生长方向： 5353。14.2.1 DNA14.2.1 DNA聚合酶聚合酶 14.2.1 DNA14.2.1 DNA聚合酶聚合酶 核酸外切酶活性核酸外切酶活性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 3 5 外切酶活性外切酶活

16、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。14.2.1 DNA14.2.1 DNA聚合酶聚合酶 DNADNA聚合酶（聚合酶（DNA polymeraseDNA polymerase，DNA-polDNA-pol）：）： 以单链或双链以单链或双链DNA为模板，催化由脱氧核苷三磷酸合成为模板，催化由脱氧核苷三磷酸合成DNA的酶。的酶。活性：活性： 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种类：种类： 大肠杆菌：大肠杆菌：DNADNA聚合酶聚合酶、和和。 真核生

17、物：真核生物：含有含有DNADNA聚合酶聚合酶 、 、和和。1959 1959 年获诺贝尔生理学或医学奖年获诺贝尔生理学或医学奖 在大肠杆菌中发现在大肠杆菌中发现DNADNA聚合酶聚合酶I I。 奥乔亚 科恩伯格 Severo Ochoa Arthur Kornberg14.2.1 DNA14.2.1 DNA聚合酶聚合酶 大肠杆菌大肠杆菌DNADNA聚合酶聚合酶（pol)pol)性质：性质： 5353聚合酶活性，聚合酶活性， 53 53外切酶活性，外切酶活性， 35 35外切酶活性。外切酶活性。生理功能：生理功能： 校读，校读，去除去除RNA引物，填补空隙，参与引物，填补空隙，参与DNA损损伤

18、修复伤修复。14.2.1 DNA14.2.1 DNA聚合酶聚合酶 323323个氨基酸个氨基酸小片段小片段5 5 核酸外切酶活性核酸外切酶活性大片段大片段/Klenow /Klenow 片段片段 604604个氨基酸个氨基酸 5 5 核酸外切酶活性核酸外切酶活性5 5 3 3 DNADNA聚合酶活性聚合酶活性N N 端端C C 端端木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶DNA polDNA pol14.2.1 DNA14.2.1 DNA聚合酶聚合酶 KlenowKlenow片段片段Klenow片段是实验室合成片段是实验室合成DNA，进行分子生物学研究，进行分子生物学研究中常用的工具酶。中常用的工具酶。 大肠杆菌

19、大肠杆菌DNADNA聚合酶聚合酶（polpol）性质：性质： 5353聚合酶活性，聚合酶活性， 3 5 3 5外切酶活性。外切酶活性。 无无 5353外切酶活性。外切酶活性。生理功能：生理功能： 只是在无只是在无polpol及及polpol的情况下暂时起作用；的情况下暂时起作用； 对模板的特异性不高对模板的特异性不高, ,主要参与主要参与DNADNA损伤的修复损伤的修复。14.2.1 DNA14.2.1 DNA聚合酶聚合酶 大肠杆菌大肠杆菌DNADNA聚合酶聚合酶（polpol）组成：组成： 至少由至少由1010种亚基组成种亚基组成，二聚体二聚体，其中，其中、和和组成组成 核心酶核心酶； 性质

20、：性质： 53 53聚合酶活性，聚合酶活性，3 53 5外切酶活性。外切酶活性。 无无 5353外切酶活性。外切酶活性。生理功能：生理功能： 真正起真正起复制作用复制作用的酶，主要负责的酶，主要负责DNADNA链的延伸链的延伸。14.2.1 DNA14.2.1 DNA聚合酶聚合酶 核心酶核心酶亚基：亚基：5353聚合酶活性聚合酶活性；亚基：亚基：3535外切酶活性，起外切酶活性，起校对功能校对功能， 可提高聚合酶可提高聚合酶复制复制DNADNA的保真性；的保真性； 亚基：亚基：可能起组建的作用。可能起组建的作用。亚基：亚基：犹如夹子，识别引物夹住犹如夹子，识别引物夹住DNADNA分子向前滑动；

21、分子向前滑动；其余的亚基：其余的亚基：构成构成 - -复合物，可增强核心酶活性的复合物，可增强核心酶活性的 作用。作用。夹子夹子装配复合体装配复合体 亚基：亚基：促使核心酶二聚化促使核心酶二聚化核心酶二聚化核心酶二聚化DNADNA聚合酶聚合酶IIIIII有两个有两个夹子装配复合体。夹子装配复合体。DNA DNA 聚合酶聚合酶 pol pol pol pol pol pol 亚基数目亚基数目 1 1 7 7 10105 533聚合聚合酶酶活性活性 + + + + + + 3355外切酶活性外切酶活性 + + + + +5 533外切酶活性外切酶活性 + - -+ - -聚合速度聚合速度( (核苷

22、酸核苷酸/ /分分) 1000-1200 2400 15000-60000 ) 1000-1200 2400 15000-60000 持续合成能力持续合成能力 3-200 1500 5000003-200 1500 500000生理功能生理功能 切除引物切除引物 修复修复 复制复制 修复修复大肠杆菌大肠杆菌3 3种种DNADNA聚合酶性质比较聚合酶性质比较14.2.1 DNA14.2.1 DNA聚合酶聚合酶 DNADNA聚合酶（聚合酶（DNA polymeraseDNA polymerase，DNA-polDNA-pol）： 以单链或双链以单链或双链DNA为模板，催化由脱氧核苷三磷酸合成为模板

23、，催化由脱氧核苷三磷酸合成DNA的酶。的酶。种类：种类： 大肠杆菌：大肠杆菌：DNADNA聚合酶聚合酶、和和。 真核生物：真核生物：含有含有DNADNA聚合酶聚合酶 、 、和和。14.2.1 DNA14.2.1 DNA聚合酶聚合酶 真核生物的真核生物的DNADNA聚合酶聚合酶14.2.1 DNA14.2.1 DNA聚合酶聚合酶 DNA-pol DNA-pol 起始引发，有引物酶活性。起始引发，有引物酶活性。延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。延长子链的主要酶，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 。在复制过程中起校读、修复和填补缺口在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。的作用

24、。在在线粒体线粒体DNADNA复制中起催化作用。复制中起催化作用。DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol 1. 1. 遵守严格的碱基配对规律遵守严格的碱基配对规律( (错配率错配率1010-4-41010-5-5) )；2. 2. 聚合酶在复制延长时对碱基的选择聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能功能 ( (错配率错配率1010-4-41010-5-5) )；3. 3. 复制出错时复制出错时DNA-polDNA-pol的即时校读功能。的即时校读功能。DNADNA复制的复制的保真性保真性至少要依赖三种机制至少要

25、依赖三种机制 14.2.1 DNA14.2.1 DNA聚合酶聚合酶 解螺旋酶（解螺旋酶（unwinding enzymeunwinding enzyme）： 又又称解链酶（称解链酶（helicasehelicase）或）或reprep蛋白。蛋白。利用利用ATPATP供能，作用于供能，作用于氢键氢键，使，使DNADNA双链解开成为两条双链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 2分子分子ATPATP。种类：种类： 目前发现至少存在两种解螺旋酶。目前发现至少存在两种解螺旋酶。14.2.2 14.2.2 解螺旋酶解螺旋酶单链单链DNADNA结合蛋白结合蛋白（single

26、 strand binding proteinsingle strand binding protein，SSBSSB） 一些能够与单链一些能够与单链DNADNA结合的蛋白质因子。结合的蛋白质因子。生理功能：生理功能： 维持单链状态，防止复性；对抗核酸酶水解，保护单链完整。维持单链状态，防止复性；对抗核酸酶水解，保护单链完整。作用原理：作用原理： SSBSSB可结合可结合3232个核苷酸单位，在个核苷酸单位，在DNA DNA 解链中不断结合，脱离再结合。解链中不断结合，脱离再结合。14.2.3 14.2.3 单单链链DNADNA结合蛋白结合蛋白 拓扑异构酶（拓扑异构酶（topoisomeras

27、etopoisomerase）：）： DNADNA复制时，负责调整复制时，负责调整DNADNA超螺旋的圈数。超螺旋的圈数。拓扑异构酶拓扑异构酶 拓扑异构酶拓扑异构酶ATPATP供能供能- - -+ +负螺旋负螺旋 消除和减少 消除引入2个切断方式切断方式双链中的一条双链定位定位转录区染色质骨架蛋白和核基质相关功能相关功能转录复制DNADNA拓扑异构酶拓扑异构酶& & ：14.2.4 14.2.4 拓扑异构酶拓扑异构酶 (注注: 拓扑一词的含义是指物体或图象作弹性移位而又保持物体不变的性质。拓扑一词的含义是指物体或图象作弹性移位而又保持物体不变的性质。)DNADNA连接酶（连接酶（ligasel

28、igase）：）： 催化两段催化两段DNADNA片段之间形成磷酸二酯键，而使两段片段之间形成磷酸二酯键，而使两段DNADNA连接起连接起 来来，不能将两条游离的，不能将两条游离的DNADNA单链连接起来。单链连接起来。DNADNA连接酶催化的条件连接酶催化的条件需一段需一段DNADNA片段具有片段具有3 3-OH-OH，而另一段，而另一段DNADNA片段具有片段具有5 5-Pi-Pi基；基；未封闭的缺口位于双链未封闭的缺口位于双链DNADNA中，即其中有一条链必须是完整的；中，即其中有一条链必须是完整的；需要消耗能量，原核生物中由需要消耗能量，原核生物中由NADNAD+ +供能，真核生物中由供

29、能，真核生物中由ATPATP供能。供能。35535353HOP DNA ligaseNADATPNMNAMP+PPi+14.2.5 DNA14.2.5 DNA连接酶连接酶14.2 DNA14.2 DNA复制的酶学复制的酶学小结小结14.3 DNA14.3 DNA复制的过程复制的过程复制的起始复制的起始复制的延伸复制的延伸复制的终止复制的终止14.3.1 14.3.1 复制的起始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；形成引发体。末端；形成引发体。1 1、预引发、预引发解旋解链，形成复

30、制叉：解旋解链，形成复制叉： 由由拓拓扑扑异异构构酶酶和和解解链链酶酶作作用用，使使DNADNA的的超超螺螺旋旋及及双双螺螺旋旋结结构构解解开开，碱碱基基间间氢氢键键断断裂裂，形形成成两两条条单单链链DNADNA。单单链链DNADNA结合蛋白结合在两条单链结合蛋白结合在两条单链DNADNA上，形成叉状结构。上，形成叉状结构。14.3.1 14.3.1 复制的起始复制的起始引发体组装：引发体组装： 由蛋白因子识别复制起始点，并与其他蛋白因子及引物酶一由蛋白因子识别复制起始点，并与其他蛋白因子及引物酶一起组装形成引发体，含有解螺旋酶、起组装形成引发体，含有解螺旋酶、DnaCDnaC蛋白、引物酶和蛋

31、白、引物酶和DNADNA复制复制起始区域的复合结构。起始区域的复合结构。 14.3.1 14.3.1 复制的起始复制的起始 Dna A Dna B、 Dna CDNA拓扑异构酶DnaGSSB3535（辅助（辅助DnaB与与DNA的结合）的结合）（解旋酶）（解旋酶）（识别起始位点）（识别起始位点）（引物酶）（引物酶）2 2、引发、引发 在引物酶的催化下，以在引物酶的催化下，以DNADNA为模板，合成一段短的为模板，合成一段短的RNARNA片段片段，从而获得从而获得33端自由羟基（端自由羟基（3-OH3-OH）。）。14.3.1 14.3.1 复制的起始复制的起始3535引物3 HO5引物酶复复制

32、制的的延延伸伸指指在在DNA-pol催催化化下下，dNTP以以dNMP的的方方式式逐逐个个加加入入引引物物或或延延长长中中的的子子链链上上，其其化学本质是化学本质是磷酸二酯键磷酸二酯键的不断生成。的不断生成。 14.3.2 14.3.2 复制的延伸复制的延伸 5 35dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH 3 3DNA-pol特点：特点：由由DNADNA聚合酶催化，以聚合酶催化，以3 355方向的亲代方向的亲代DNADNA链为模板，从链为模板，从5 533方向聚合子代方向聚合子代DNADNA链。链。在原核生物中，参与在原核生物中，参与DNADNA复制延长的是复制延

33、长的是DNADNA聚合酶聚合酶；而在真；而在真核生物中，是核生物中，是DNADNA聚合酶聚合酶、和和。14.3.2 14.3.2 复制的延伸复制的延伸过程过程引发体移动引发体移动前导链的延长前导链的延长滞后链的延长滞后链的延长 环状结构；前一个环状结构；前一个冈崎片段的尾巴，冈崎片段的尾巴，切除引物。切除引物。14.3.2 14.3.2 复制的延伸复制的延伸前导链前导链滞后链滞后链引发体引发体14.3.2 14.3.2 复制的延伸复制的延伸 前导链和随从链同时合成的过程前导链和随从链同时合成的过程阶段一阶段一阶段二阶段二14.3.2 14.3.2 复制的延伸复制的延伸阶段三阶段三阶段四阶段四去

34、除引物，填补缺口去除引物，填补缺口 连接冈崎片段：连接冈崎片段： 在在DNADNA连接酶的催化下，形成最后一个磷酸酯键，将连接酶的催化下，形成最后一个磷酸酯键，将冈崎片段连接起来，形成完整的冈崎片段连接起来，形成完整的DNADNA长链。长链。 14.3.3 14.3.3 复制的终止复制的终止细菌环状染色体：细菌环状染色体： 两个复制叉向前推移，在终止区相遇而停止复制，复制体解体。两个复制叉向前推移，在终止区相遇而停止复制，复制体解体。细菌复制终止区含有细菌复制终止区含有多个约多个约22bp22bp的终止子的终止子位点，大肠杆菌有位点，大肠杆菌有7 7个个终止子位点。终止子位点。复制速度不同。复

35、制速度不同。14.3.3 14.3.3 复制的终止复制的终止顺时针顺时针逆时针逆时针顺时针顺时针逆时针逆时针14.3.3 14.3.3 复制的终止复制的终止线性线性DNADNA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RNARNA的水解而的水解而可能出现缩短。可能出现缩短。在在端粒酶端粒酶（telomerasetelomerase）的催化下，可进行延长反应。）的催化下，可进行延长反应。14.3.3 14.3.3 复制的终止复制的终止真核生物染色体：真核生物染色体： 14.3 DNA14.3 DNA复制的过程复制的过程小结小结复复制制过过程程简简图图14.3 DNA14.3 DNA

36、复制的过程复制的过程小结小结14.3.4 14.3.4 原核与原核与真核生物真核生物DNADNA复制的差异点复制的差异点原核生物原核生物真核生物真核生物起点起点单起点单起点多起点多起点复制子复制子大而少大而少小而多小而多复制叉移动速度复制叉移动速度900nt/s50nt/s冈崎片段冈崎片段10002000nt100200nt酶系酶系种类少种类少种类多种类多第二轮复制第二轮复制第一轮未结束就可第一轮未结束就可以开始第二轮复制以开始第二轮复制复制许可因子调控，复制许可因子调控，复制周期不可重叠复制周期不可重叠末端末端环状分子，末端环状分子，末端不缩短不缩短线形分子，末端线形分子，末端会缩短会缩短端

37、粒酶端粒酶-+端粒端粒端粒端粒中心粒中心粒真核生物染色体真核生物染色体端粒（端粒（telomeretelomere）：）：真核生物线性染色体末真核生物线性染色体末端所具有的特殊结构，端所具有的特殊结构，通常膨大成粒状。通常膨大成粒状。14.414.4 端粒端粒DNADNA的合成的合成14.414.4 端粒端粒DNADNA的合成的合成功能功能维持染色体结构的完整性；维持染色体结构的完整性； 端粒的存在使每次丢失的仅为端粒的一部分，从而端粒的存在使每次丢失的仅为端粒的一部分，从而保护了染色体内部的结构基因。保护了染色体内部的结构基因。维持维持DNADNA复制的完整性。复制的完整性。结构特点结构特点

38、由由末端末端DNADNA序列序列和和蛋白质蛋白质构成。构成。末端末端DNADNA序列是多次重复的富含序列是多次重复的富含G G、T T碱基的短序列。碱基的短序列。14.414.4 端粒端粒DNADNA的合成的合成端粒端粒DNADNA的合成：的合成： 在端粒酶（在端粒酶（telomerasetelomerase）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： 一种一种RNA-RNA-蛋白质复合蛋白质复合体，它可以其体，它可以其RNARNA为模板，为模板，通过逆转录过程对末端通过逆转录过程对末端DNADNA链进行延长。链进行延长。组成：组成：端粒酶端粒酶RNA端粒酶协同蛋白端粒

39、酶协同蛋白端粒酶逆转录酶端粒酶逆转录酶14.414.4 端粒端粒DNADNA的合成的合成端粒酶的分子结构端粒酶的分子结构端粒的合成机制：不依赖模板，以爬行方式合成。端粒的合成机制：不依赖模板，以爬行方式合成。14.414.4 端粒端粒DNADNA的合成的合成母链藉非标准碱基配对回折母链藉非标准碱基配对回折DNA聚合酶复制子链聚合酶复制子链端粒合成完成端粒合成完成进一步加工进一步加工14.414.4 端粒端粒DNADNA的合成的合成端粒及端粒酶的生理意义端粒及端粒酶的生理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

40、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。细胞分裂细胞分裂细胞分裂细胞分裂细胞衰老端粒酶永生化抗肿瘤靶抗肿瘤靶点点 正常细胞：正常细胞：正常细胞：正常细胞：细胞分裂细胞分裂细胞分裂细胞分裂细胞分裂细胞分裂细胞分裂细胞分裂 衰衰衰衰老老老老死死死死亡亡亡亡 细胞年轻化细胞年轻化细胞年轻化细胞年轻化 端粒酶端粒酶端粒酶端粒酶 重新引入重新引入重新引入重新引入抗抗衰衰老老Elizabeth Blackburn Carol GreiderJack Szostak14.414.4 端粒端粒DNADNA的合成的合成2009年诺贝尔医学奖年诺贝尔医

41、学奖14.514.5 逆转录作用逆转录作用逆转录逆转录 (reverse transcription) 在逆转录酶的催化下，以在逆转录酶的催化下，以RNA为模板合成为模板合成DNA的的过程，又称反转录。过程，又称反转录。 逆转录逆转录酶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为模板合成双链为模板合成双链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DNA指导的指导的DNA聚合活性聚合活性RNase H活性（活性（专一水解专

42、一水解RNA-DNARNA-DNA杂交分子中的杂交分子中的RNARNA，可，可沿沿55 33和和3 3 55两个方向起核酸外切酶的作用。两个方向起核酸外切酶的作用。 ）14.514.5 逆转录作用逆转录作用14.514.5 逆转录作用逆转录作用逆转录病毒细胞内的逆转录现象逆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DNA14.514.5 逆转录作用逆转录作用分子生物学研究可应用逆转分子生物学研究可应用逆转录酶，作为获取基因工程目的基录酶，作为获取基因工程目的基因的重要方法之一。因的重要方法之一。以以

43、mRNA为模板，经逆转录为模板，经逆转录合成的与合成的与mRNA碱基序列互补的碱基序列互补的DNA链。链。 试管内合成试管内合成cDNA cDNA complementary DNA 逆转录酶逆转录酶 A AA A T T T TAAAASISI核酸酶核酸酶 DNA聚合酶聚合酶碱水解碱水解 T T T TcDNA法法14.514.5 逆转录作用逆转录作用逆转录研究的意义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的重逆转录酶和逆转录现象，是分子生物学研究中的重大发现；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同样兼有同样兼有遗传信息传代与表达功能

44、；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世纪初已注意到的世纪初已注意到的病毒致癌理论。病毒致癌理论。 14.614.6 DNADNA的损伤（突变）与修复的损伤（突变）与修复14.6.1 DNA14.6.1 DNA的损伤的损伤( (突变突变) )14.6.2 14.6.2 引起引起DNADNA突变的因素突变的因素14.6.3 DNA14.6.3 DNA损伤的修复损伤的修复DNADNA损伤损伤 （DNA damageDNA damage）：）： 泛指一切泛指一切DNADNA结构和功能的变化。包括各种结构和功能的变化。包括各种突变类型、碱基的损伤和突变类型、

45、碱基的损伤和DNADNA链的断裂。链的断裂。DNADNA突变（突变（DNA mutationDNA mutation）：）： 由遗传物质结构改变而引起的遗传信息的改由遗传物质结构改变而引起的遗传信息的改变。从分子水平来看，突变就是变。从分子水平来看，突变就是DNADNA分子上碱基的改分子上碱基的改变。变。14.6.114.6.1 DNADNA的损伤（突变）的损伤（突变）14.6.114.6.1 DNADNA的损伤（突变）的损伤（突变）DNADNA突变的类型突变的类型DNADNA突变的效应突变的效应14.6.114.6.1 DNADNA的损伤（突变）的损伤（突变）同义突变同义突变：基因突变导致基

46、因突变导致mRNAmRNA密码子第三位碱基改变，其密码子第三位碱基改变，其意义不发生改变，翻译产物中的氨基酸残基顺序不变，但有时意义不发生改变，翻译产物中的氨基酸残基顺序不变，但有时可引起翻译效率降低。可引起翻译效率降低。错义突变错义突变：基因突变导致基因突变导致mRNAmRNA密码子碱基被置换，其意义密码子碱基被置换，其意义发生改变，翻译产物中的氨基酸残基顺序发生改变。发生改变，翻译产物中的氨基酸残基顺序发生改变。无义突变无义突变：基因突变导致基因突变导致mRNAmRNA密码子碱基被置换而改变成密码子碱基被置换而改变成终止密码子，引起多肽链合成的终止。终止密码子，引起多肽链合成的终止。移码突

47、变移码突变：基因突变导致基因突变导致mRNAmRNA密码子碱基被置换，引起突密码子碱基被置换，引起突变点之后的氨基酸残基顺序全部发生改变。变点之后的氨基酸残基顺序全部发生改变。突变的意义突变的意义突变是进化、分化的分子基础突变是进化、分化的分子基础突变导致基因型改变突变导致基因型改变突变导致死亡突变导致死亡突变是某些疾病的发病基础突变是某些疾病的发病基础14.6.114.6.1 DNADNA的损伤（突变）的损伤（突变）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

48、(HbA)亚基亚基N-val his leu thr pro glu glu C 肽链肽链CTC GAG基因基因14.6.114.6.1 DNADNA的损伤（突变）的损伤（突变）DNADNA突变导致疾病（例子）突变导致疾病（例子） 1949 1949年波林发现镰刀型细胞贫血症（病人的年波林发现镰刀型细胞贫血症（病人的年波林发现镰刀型细胞贫血症（病人的年波林发现镰刀型细胞贫血症（病人的红血细胞为镰刀形）与血红蛋白结构异常相关。红血细胞为镰刀形）与血红蛋白结构异常相关。红血细胞为镰刀形）与血红蛋白结构异常相关。红血细胞为镰刀形）与血红蛋白结构异常相关。14.6.114.6.1 DNADNA的损伤（

49、突变）的损伤（突变）14.6.214.6.2 引起引起DNADNA突变的因素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10-910-910-10 10-10 左右。左右。物理因素物理因素: : 如如UV (ultra violet)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、以及其他一些人烷化剂、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，这些诱发突变的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

50、素和病毒等。物理因素物理因素紫外线紫外线14.6.214.6.2 引起引起DNADNA突变的因素突变的因素14.6.214.6.2 引起引起DNADNA突变的因素突变的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 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化学因素化学因素修复修复 对已发生

51、分子改变的补偿措施，使其回复为原有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。的天然状态。修复方式修复方式直接修复：直接修复：光复活修复光复活修复、转甲基作用、直接连、转甲基作用、直接连接；接；取代修复：取代修复：切除修复切除修复、重组修复、重组修复、SOSSOS修复修复。14.6.314.6.3 DNADNA损伤的修复损伤的修复转甲基作用：转甲基作用： 在转甲基酶的催化下，将在转甲基酶的催化下，将DNADNA上的被修饰的甲基上的被修饰的甲基去除。此时，转甲基酶自身被甲基化而失活。去除。此时，转甲基酶自身被甲基化而失活。直接连接：直接连接： DNA DNA断裂形成的缺口，可以在断裂形

52、成的缺口，可以在DNADNA连接酶的催化下，连接酶的催化下，直接进行连接而封闭缺口。直接进行连接而封闭缺口。 14.6.314.6.3 DNADNA损伤的修复损伤的修复光复活：光复活： 能够修复任何嘧啶二聚体的损伤。能够修复任何嘧啶二聚体的损伤。14.6.314.6.3 DNADNA损伤的修复损伤的修复 切除修复切除修复它是细胞内它是细胞内最重要最重要和和有效的有效的修复机制，主修复机制，主要由要由DNA-pol和连接和连接酶完成。酶完成。UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶OHPDNA连接酶NAD+E.Coli 的切的切除修复机制除修复机制14.6.314.6.3 DNADNA损伤的修

53、复损伤的修复切除修复动画切除修复动画14.6.314.6.3 DNADNA损伤的修复损伤的修复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14.6.314.6.3 DNADNA损伤的修复损伤的修复着色性干皮病着色性干皮病(xeroderma pigmentosis，XP) 切除修复缺陷性的遗传病。切除修复缺陷性的遗传病。 XP病病人人细细胞胞对对嘧嘧啶啶二二聚聚体体和和烷烷基基化化的的清清除除

54、能能力力降降低低，不不能能修修复复紫紫外外线线照照射射引引起起的的DNA损损伤伤，因因此此易发生皮肤癌。易发生皮肤癌。14.6.314.6.3 DNADNA损伤的修复损伤的修复重组修复重组修复14.6.314.6.3 DNADNA损伤的修复损伤的修复跳过损伤部位跳过损伤部位新链产生的缺口由母新链产生的缺口由母链通过重组方式弥补链通过重组方式弥补原损伤部位并没有原损伤部位并没有切除，但在后代逐切除，但在后代逐渐稀释。渐稀释。SOS修复修复这这是是一一种种在在DNADNA分分子子受受到到较较大大范范围围损损伤伤并并且且使使复复制受到抑制时出现的修复机制。制受到抑制时出现的修复机制。 在E. col

55、i，各种与修复有关的基因，组成一个称为调节子(regulon)的网络式调控系统。这种修复特异性低，对碱基的识别、选择能力差。通过SOS修复，复制如能继续，细胞是可存活的。然而DNA保留的错误较多，导致较广泛、长期的突变。14.6.314.6.3 DNADNA损伤的修复损伤的修复14.6.314.6.3 DNADNA损伤的修复损伤的修复进化、变种、癌症、诱变育种等都是基于这一机理进化、变种、癌症、诱变育种等都是基于这一机理诱导校对能力差的诱导校对能力差的DNADNA聚合聚合酶形成酶形成局部局部“乱配乱配”14.714.7 基因重组和克隆基因重组和克隆基因重组基因重组（gene recombina

56、ntgene recombinant）： 由不同由不同DNADNA链的断裂和连接而产生的链的断裂和连接而产生的DNADNA片段的交换和重新片段的交换和重新组合并形成新的组合并形成新的DNADNA分子的过程。分子的过程。接合作用接合作用 (conjugation)转化作用转化作用 (transformation)转导作用转导作用 (transduction)转转 座座 (transposition)同源重组同源重组 (homologous recombination)位点特异的重组位点特异的重组(site-specific recombination)克隆克隆（cloneclone） 来自同一始

57、祖的相同副本或拷贝的集。获取同一拷贝来自同一始祖的相同副本或拷贝的集。获取同一拷贝的过程称为克隆化的过程称为克隆化(cloning)(cloning)，即，即无性繁殖无性繁殖。基因克隆基因克隆（gene clonegene clone）： 在体外对在体外对DNADNA按照即定目的和方案进行按照即定目的和方案进行人工重组人工重组，将重，将重组组DNADNA导入靶细胞进行扩增以获得目的基因的大量拷贝的过导入靶细胞进行扩增以获得目的基因的大量拷贝的过程。程。14.714.7 基因重组和克隆基因重组和克隆基因克隆的技术基因克隆的技术D DNANA重组技术重组技术（DNA recombinant DNA

58、 recombinant technologytechnology） 14.714.7 基因重组和克隆基因重组和克隆基因工程（基因工程（genetic engineeringgenetic engineering）：）： DNADNA重组技术重组技术的的产业化设计与应用产业化设计与应用，包括上游的，包括上游的DNADNA重组技重组技术和下游的基因工程菌或细胞（生物体）的大规模培养、基因术和下游的基因工程菌或细胞（生物体）的大规模培养、基因产物的分离纯化及其应用等。产物的分离纯化及其应用等。Stanley Cohen Herb Boyer Stanley Cohen Herb Boyer 198

59、61986年年NobelNobel生理医学奖生理医学奖14.714.7 基因重组和克隆基因重组和克隆基因克隆的基本过程基因克隆的基本过程分分分离目的基因和分离目的基因和载体基因载体基因 切切限制酶切限制酶切目的基因与载体目的基因与载体接接拼接重组体拼接重组体 转转转入受体菌转入受体菌 筛筛筛选重组体筛选重组体 基因载体基因载体为携带目的基因，实现其无性繁殖或表达有意义为携带目的基因，实现其无性繁殖或表达有意义的蛋白质所采用的一些的蛋白质所采用的一些DNADNA分子。分子。常用载体常用载体质粒质粒DNADNA噬菌体噬菌体DNADNA病毒病毒DNADNA14.714.7 基因重组和克隆基因重组和克

60、隆质粒（质粒（plasmidplasmid）：）：是独立于染色体以外是独立于染色体以外的能自主复制的能自主复制的、并能稳定遗传的双链闭合环状的、并能稳定遗传的双链闭合环状DNADNA分子。分子。14.714.7 基因重组和克隆基因重组和克隆目的基因目的基因 重组重组DNADNA重组重组DNADNA的转化的转化/ /转染转染重组体的筛选与鉴定重组体的筛选与鉴定重组体的表达重组体的表达分析与开发应用分析与开发应用载体载体14.714.7 基因重组和克隆基因重组和克隆萤萤火火虫虫的的荧荧光光素素基基因因 在在烟烟草草中中表表达达人人生生长长素素基基因因被被导导入入并并整整合合到到右右边边小小鼠鼠的的

61、基基因因组组中中番番茄茄工工程程植植株株具具有有抗抗昆昆虫虫幼幼虫虫的的能能力力DNADNA复制的特点：复制的特点：半保留复制、半不连续复制、需半保留复制、半不连续复制、需要引物、复制起点与方向、复制有关的概念；要引物、复制起点与方向、复制有关的概念；DNADNA复制的条件：复制的条件：底物、底物、模板、引发体、模板、引发体、DNADNA聚合酶、聚合酶、DNADNA复制有关的酶和蛋白因子；复制有关的酶和蛋白因子；DNADNA复制的过程：复制的过程：起始、延伸与终止、起始、延伸与终止、 DNADNA复制的复制的保真性；保真性；端粒端粒DNADNA的合成：的合成：端粒酶和端粒酶和端粒的合成机制；端粒的合成机制；逆转录作用：逆转录作用：反转录酶和逆转录过程；反转录酶和逆转录过程；DNADNA的损伤与修复：的损伤与修复： DNADNA的损伤、的损伤、引起损伤的因素、引起损伤的因素、光复活修复、切除修复、重组修复、光复活修复、切除修复、重组修复、SOSSOS修复。修复。