目 录
DNA的生物合成
(复制 )
DNA Biosynthesis,Replication
第 十 章目 录复制 (replication)
是指遗传物质的传代，以母链 DNA为模板合成子链 DNA的过程。
复制亲代 DNA
子代 DNA
目 录复制的基本规律
Basic Rules of DNA Replication
第一节目 录
复制的方式
—— 半保留复制 (semi-conservative replication)
复制的高保真性 (high fidelity)
双向复制 (bidirectional replication)
半不连续复制 (semi-discontinuous replication)
目 录一、半保留复制的实验依据和意义
DNA生物合成时,母链 DNA解开为两股单链,各自作为模板 (template)按碱基配对规律,合成与模板互补的子链 。 子代细胞的
DNA,一股单链从亲代完整地接受过来,另一股单链则完全从新合成 。 两个子细胞的
DNA都和亲代 DNA碱基序列一致 。 这种复制方式称为 半保留复制 。
半保留复制的概念
A
G
G
T
A
C
T
G
C
C
A
C
T
G
G
T
C
C
A
T
G
A
C
G
G
T
G
A
C
C
C
C
A
C
T
G
G
G
G
T
G
A
C
C
A
G
G
T
A
C
T
G
C
C
A
C
T
G
G
T
C
C
A
T
G
A
C
G
G
T
G
A
C
C
A
G
G
T
A
C
T
G
C
C
A
C
T
G
G
T
C
C
A
T
G
A
C
G
G
T
G
A
C
C
+
母链 DNA 复制过程中形成的复制叉子代 DNA
目 录目 录
子链继承母链遗传信息的几种可能方式全保留式 半保留式 混合式目 录
密度梯度实验
—— 实验结果支持 半保留复制 的设想。
含重氮 -DNA的细菌培养于普通培养液第一代继续培养于普通培养液第二代梯度离心结果目 录按半保留复制方式,子代 DNA与亲代 DNA
的 碱基序列一致,即子代保留了亲代的全部遗传信息,体现了遗传的 保守性 。
半保留复制的意义遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，
但 不是绝对的 。
目 录原核生物复制时,DNA从 起始点 (origin)
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 。
二、双向复制复制中的放射自显影图象目 录
A,环状双链 DNA及复制起始点
B,复制中的两个复制叉
C,复制接近终止点 (termination,ter)
ori
ter
A B C
目 录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之间的距离定为一个 复制子 (replicon) 。复制子是独立完成复制的功能单位。
目 录
5’
3’
ori ori ori ori
5’
3’
5’
5’3’
3’
5’
5’3’
复制子
3’
目 录三、复制的半不连续性
3?
5?
3?
5?
解链方向领头链
(leading strand)
随从链
(lagging strand)
目 录
顺着解链方向生成的子链,复制是连续进行的,
这股链称为 领头链 。
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,这股不连续复制的链称为 随从链 。 复制中的不连续片段称为 岡崎片段
(okazaki fragment)。
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 。
目 录
DNA复制的酶学
The Enzymology of DNA Replication
第二节目 录
参与 DNA复制的物质底物 (substrate),dATP,dGTP,dCTP,dTTP
聚合酶 (polymerase),依赖 DNA的 DNA聚合酶，简写为 DNA-pol
模板 (template),解开成单链的 DNA母链引物 (primer),提供 3?-OH末端使 dNTP可以依次聚合其他的酶和蛋白质因子一、复制的化学反应
(dNMP)n + dNTP → (dNMP) n+1 + PPi
目 录目 录
聚合反应的特点
DNA 新链生成需 引物 和 模板 ；
新链的延长只可沿 5? → 3?方向进行 。
目 录二,DNA聚合酶全称,依赖 DNA的 DNA聚合酶 (DNA-
dependent DNA polymerase)
简称,DNA-pol
活性,1,53? 的聚合活性
2,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
5 3?外切酶活性能切除突变的 DNA片段。
能辨认错配的碱基对，并将其水解。
核酸外切酶活性目 录目 录
（一）原核生物的 DNA聚合酶
DNA-pol Ⅰ
DNA-pol Ⅱ
DNA-pol Ⅲ
目 录
（一）原核生物的 DNA聚合酶可能不可能可能基因突变后的致死性无无有5? → 3? 核酸外切酶活性
20？400分子数 / 细胞多亚基不对称二聚体
？单肽链组成
250120109分子量 ( kD )
DNA - po l IIIDNA - po l IIDNA - po l I
无无有→
？
？
目 录功能,对复制中的错误进行校读，对复制和修复中出现的空隙进行填补。
DNA-pol Ⅰ
（ 109kD）
目 录
323个氨基酸小片段
5核酸外切酶活性大片段 /Klenow 片段
604个氨基酸
DNA聚合酶活性
5? 核酸外切酶活性
N 端 C 端木瓜蛋白酶
DNA-pol Ⅰ
Klenow片段是实验室合成 DNA，进行分子生物学研究中常用的工具酶。
目 录
DNA-pol Ⅱ （ 120kD）
DNA-pol II基因发生突变，细菌依然能存活。
它参与 DNA损伤的应急状态修复。
目 录功能是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶 。
DNA-pol Ⅲ
(250kD)
目 录
（二）真核生物的 DNA聚合酶
DNA-pol? 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。
参与低保真度的复制 。
在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。
在 线粒体 DNA复制中起催化作用。
DNA-pol?
DNA-pol?
DNA-pol?
DNA-pol?
目 录
（二）真核生物的 DNA聚合酶填补引物空隙，切除修复，
重组延长子链的主要酶，
解螺旋酶活性线粒体
DNA 复制低保真度的复制起始引发，引物酶活性功能
+++--
3? → 5? 核酸外切酶活性高高高？中5? → 3? 聚合活性
25,512,514,04.016,5分子量（ kD ）
εδγβαDNA - po l
复制制性
→
高高高？中→
.5.5.0.5）
目 录三、复制保真性的酶学依据
复制按照碱基配对规律进行，是遗传信息能准确传代的基本原理。
复制保真性的酶学机制：
（一） DNA-pol的核酸外切酶活性和及时校读
（ 二 ） 复制的保真性和碱基选择目 录
（一） DNA-pol的核酸外切酶活性和及时校读
A,DNA-pol的外切酶活性切除错配碱基；并用其聚合活性掺入正确配对的底物。
B：碱基配对正确,DNA-pol不表现活性。
目 录
（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）
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，与相应的嘧啶形成氢键配对，嘌呤应处于 反式构型 。
目 录
1,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；
3,复制出错时 DNA-pol的及时校读功能。
DNA复制的保真性至少要依赖三种机制目 录四、复制中的分子解链及 DNA 分子拓扑学变化
DNA分子的碱基埋在双螺旋内部，只有把
DNA解成单链，它才能起模板作用。
目 录
（一）解螺旋酶、引物酶和单链 DNA结合蛋白理顺 DNA 链拓扑异构酶 ( g yrA,B)
稳定已解开的单链单链 DNA
结合蛋白
SSB
催化 RNA 引物生成引物酶DnaG ( dnaG )
运送和协同 DnaBDnaC ( dnaC )
解开 DNA 双链解螺旋酶DnaB ( dnaB )
辨认起始点DnaA ( dnaA )
蛋白质（基因） 通用名 功能原核生物复制起始的相关蛋白质
E,Coli 基因图目 录目 录
解螺旋酶 (helicase)
—— 利用 ATP供能，作用于氢键，使 DNA双链解开成为两条单链
引物酶 (primase)
—— 复制起始时催化生成 RNA引物的酶
单链 DNA结合蛋白 (single stranded DNA binding
protein,SSB)
—— 在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整目 录
10
8
局部解链后
（二） DNA拓扑异构酶 (DNA topoisomerase)
解链过程中正超螺旋的形成目 录目 录
拓扑异构酶作用特点既能水解,又能连接磷酸二酯键拓扑异构酶 Ⅰ
拓扑异构酶 Ⅱ
分 类目 录拓扑异构酶 Ⅰ
切断 DNA双链中 一股 链，使 DNA
解链旋转不致打结；适当时候封闭切口,DNA变为松弛状态 。
反应 不需 ATP。
拓扑异构酶 Ⅱ
切断 DNA分子 两股 链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。
利用 ATP供能，连接断端,DNA
分子进入负超螺旋状态。
作用机制目 录目 录五,DNA连接酶连接 DNA链 3?-OH末端和相邻 DNA链 5?-P
末端,使二者生成磷酸二酯键,从而把两段相邻的 DNA链连接成一条完整的链 。
DNA连接酶 (DNA ligase)作用方式
P
O
O-
O-
O
HO 5’
P
O
O-
O-
O
3’
3’ 5’
DNA连接酶
ATP
ADP
5’ 3’
5’ 3’
目 录目 录
DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的作用 。
在 DNA修复,重组及剪接中也起缝合缺口作用 。
也是基因工程的重要工具酶之一 。
功能目 录
DNA生物合成过程
The Process of DNA Replication
第三节目 录
（一）复制的起始需要解决两个问题：
1,DNA解开成单链，提供模板。
2,合成引物，提供 3?-OH末端。
一、原核生物的 DNA生物合成目 录
E.coli复制起始点 oriC
GATTNTTTATTT ··· GATCTNTTNTATT ··· GATCTCTTATTAG ···
1 13 17 29 32 44
···TGTGGATTA-‖ -TTATACACA-‖ -TTTGGATAA-‖ -TTATCCACA
58 66 166 174 201 209 237 245
串联重复序列 反向重复序列
5?
3? 5?
3?
1,DNA解链目 录
Dna A
Dna B,Dna C
DNA拓扑异构酶 SSB
3?
5?
3?
5?
2,引发体和引物含有解螺旋酶,DnaC蛋白、引物酶和 DNA
复制起始区域的复合结构称为引发体。
目 录
3?
5?
3?
5?
引物是由引物酶催化合成的短链 RNA分子。
引物目 录
（二）复制的延长复制的延长指在 DNA-pol催化下,dNTP以
dNMP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键的不断生成 。
目 录
5'3'
5'
dATP
dGTP dTTP
dCTP
dTTP
dGTPdATPdCTP
OH 3' 3'DNA-pol
目 录领头链的合成目 录随从链的合成 目 录目 录目 录阶段一 阶段二目 录阶段三 阶段四复制过程简图目 录目 录复 制 过 程 动 画目 录
原核生物基因是环状 DNA，双向复制的复制片段在复制的终止点 (ter)处汇合。
ori
ter
E.coli
82
32
ori
ter
SV40
50
0
（三）复制的终止目 录
5?
5?
5?
RNA酶
OH P5?
DNA-pol ⅠdNTP
5?
5? P
ATP
ADP+Pi
5?
5?
DNA连接酶
随从链上不连续性片段的连接目 录目 录哺乳动物的细胞周期DNA合成期
G1
G2
S M
二、真核生物的 DNA生物合成
细胞能否分裂,决定于进入 S期及 M期这两个关键点 。 G1→S 及 G2→M 的调节,与蛋白激酶活性有关 。
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 。
目 录
真核生物每个染色体有多个起始点,是多复制子复制 。 复制有时序性,即复制子以分组方式激活而不是同步起动 。
复制的起始需要 DNA-polα（ 引物酶活性 ） 和 polδ
（ 解螺旋酶活性 ） 参与 。 还需拓扑酶和复制因子
(replication factor,RF)。
增殖细胞核抗原 (proliferation cell nuclear antigen,
PCNA)在复制起始和延长中起关键作用 。
（一）复制的起始目 录
3?
5?
5?
3?
领头链
3?
5?
3?
5?
亲代 DNA
随从链引物核小体
（二）复制的延长目 录
染色体 DNA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。
染色体两端 DNA子链上最后复制的 RNA引物，
去除后留下空隙。
（三）复制的终止
5?
3?
3?
5?
5?
3?
3?
5?
+
5?
3?
3?
3?
3?
5?
5?
目 录目 录切除引物的两种机制目 录目 录
端粒 (telomere)
指真核生物染色体线性 DNA分子末端的结构。
功能? 维持染色体的稳定性
维持 DNA复制的完整性结构特点
由末端单链 DNA序列和蛋白质构成。
末端 DNA序列是多次重复的富含 G,C碱基的短 序列。
TTTTGGGGTTTTGGGG…
目 录
端粒酶 (telomerase)
端粒酶 RNA (human telomerase RNA,hTR)
端粒酶协同蛋白 (human telomerase associated
protein 1,hTP1)
端粒酶逆转录酶 (human telomerase reverse
transcriptase,hTRT)
组成端粒酶的催化延长作用爬行模型目 录
DNA聚合酶复制子链进一步加工目 录目 录逆转录和其他复制方式
Reverse Transcription and Other DNA
Replication Ways
第四节目 录逆转录酶 (reverse transcriptase)
逆转录 (reverse transcription)
逆转录 酶一、逆转录病毒和逆转录酶目 录逆转录病毒细胞内的逆转录现象
RNA 模板逆转录酶
DNA-RNA 杂化双链
RNA酶单链 DNA
逆转录酶双链 DNA
目 录逆转录酶
A AA A
T T T T
AAAA
SI核酸酶
DNA聚合酶 Ⅰ
碱水解
T T T T
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因的重要方法之一，此法称为 cDNA法。
以 mRNA为模板，经逆转录合成的与 mRNA碱基序列互补的 DNA链。
试管内合成 cDNA
cDNA?complementary DNA?
目 录二、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的重大发现。
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。
对逆转录病毒的研究，拓宽了 20世纪初已注意到的病毒致癌理论。
目 录
滚环复制 (rolling circle replication)
三、滚环复制和 D环复制是某些低等生物的复制形式，如?X174和
M13噬菌体等。
3?-OH5?-P
5?
5?
5?
3?
3?
3?
3?
5'
滚环复制
5'
5? 3?3? 5?
目 录目 录
dNTP
DNA-pol γ
D环复制 (D-loop replication)
是线粒体 DNA (mitochondrial DNA,mtDNA)
的复制形式。
目 录
DNA损伤（突变）与修复
DNA Damage (Mutation) and Repair
第五节目 录遗传物质的结构改变而引起的遗传信息改变，均可称为 突变。
在复制过程中发生的 DNA突变称为 DNA
损伤 (DNA damage)。
从分子水平来看，突变就是 DNA分子上碱基的改变。
目 录一、突变的意义
（一）突变是进化、分化的分子基础
（二）突变导致基因型改变
（三）突变导致死亡
（四）突变是某些疾病的发病基础目 录二、引发突变的因素物理因素 紫外线 (ultra violet,UV)、各种辐射
UV
化学因素常见的化学诱变剂化合物类别 作 用 点 分子改变碱基类似物如,5 - BU
A? 5 - BU? G
- A -
- T -
- G -
- C -
羟胺类（ NH
2
OH ） T? C
- T -
- A -
- C -
- G -
亚硝酸盐（ NO
2
） C? U
- G -
- C -
- A -
- T -
烷化剂如：氮芥类,Nitromins
G?
m
G DN A 缺失 G
目 录目 录三、突变的分子改变类型
错配 (mismatch)
缺失 (deletion)
插入 (insertion)
重排 (rearrangement)
框移
(frame-shift)
目 录
DNA分子上的碱基错配称 点突变 (point mutation)。
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。
1,转换发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。
2,颠换
（一）错配目 录镰形红细胞贫血病人 Hb (HbS) β亚基
N-val ·his ·leu ·thr ·pro ·val ·glu ······C 肽链
CAC
GTG基因正常成人 Hb (HbA)β亚基
N-val ·his ·leu ·thr ·pro ·glu ·glu ······C 肽链
CTC
GAG基因目 录
（二）缺失,插入 和框移缺失,一个碱基或一段核苷酸链从 DNA大分子上消失。
插入,原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到 DNA大分子中间。
框移突变 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。
缺失或插入都可导致 框移突变 。
目 录谷 酪 蛋 丝
5’ …… G C A G U A C A U G U C ……
丙 缬 组 缬正常
5’ …… G A G U A C A U G U C … …缺失 C
缺失引起框移突变目 录
（三）重排
DNA分子内较大片段的交换，称为重组或重排。
由基因重排引起的两种地中海贫血基因型目 录目 录四,DNA损伤的修复修复 (repairing)
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。
光修复 (light repairing)
切除修复 (excision repairing)
重组修复 (recombination repairing)
SOS修复修复的主要类型目 录
（一）光修复光修复酶
(photolyase)
UV
UvrA UvrB
UvrC
OH P
DNA聚合酶 Ⅰ
OH P
（二）切除修复是细胞内最重要和有效的修复机制，主要由 DNA-polⅠ 和连接酶完成。
DNA连接酶 ATP
E.coli的切除修复机制目 录目 录切 除 修 复 动 画目 录
（三）重组修复目 录
（四） SOS修复
当 DNA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 。
在 E,coli,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 。
目 录附 录目 录催化 DNA
聚合参与 DNA损伤的应急状态修复修复合成、
切除引物、
填补空隙功能
2040400分子数 /细胞
1011亚基数
+-+5外切酶活性
+++ 5?外切酶活性
+++5聚合酶活性
pol IIIpol IIpol I
E,Coli中的 DNA聚合酶
DNA的生物合成
(复制 )
DNA Biosynthesis,Replication
第 十 章目 录复制 (replication)
是指遗传物质的传代，以母链 DNA为模板合成子链 DNA的过程。
复制亲代 DNA
子代 DNA
目 录复制的基本规律
Basic Rules of DNA Replication
第一节目 录
复制的方式
—— 半保留复制 (semi-conservative replication)
复制的高保真性 (high fidelity)
双向复制 (bidirectional replication)
半不连续复制 (semi-discontinuous replication)
目 录一、半保留复制的实验依据和意义
DNA生物合成时,母链 DNA解开为两股单链,各自作为模板 (template)按碱基配对规律,合成与模板互补的子链 。 子代细胞的
DNA,一股单链从亲代完整地接受过来,另一股单链则完全从新合成 。 两个子细胞的
DNA都和亲代 DNA碱基序列一致 。 这种复制方式称为 半保留复制 。
半保留复制的概念
A
G
G
T
A
C
T
G
C
C
A
C
T
G
G
T
C
C
A
T
G
A
C
G
G
T
G
A
C
C
C
C
A
C
T
G
G
G
G
T
G
A
C
C
A
G
G
T
A
C
T
G
C
C
A
C
T
G
G
T
C
C
A
T
G
A
C
G
G
T
G
A
C
C
A
G
G
T
A
C
T
G
C
C
A
C
T
G
G
T
C
C
A
T
G
A
C
G
G
T
G
A
C
C
+
母链 DNA 复制过程中形成的复制叉子代 DNA
目 录目 录
子链继承母链遗传信息的几种可能方式全保留式 半保留式 混合式目 录
密度梯度实验
—— 实验结果支持 半保留复制 的设想。
含重氮 -DNA的细菌培养于普通培养液第一代继续培养于普通培养液第二代梯度离心结果目 录按半保留复制方式,子代 DNA与亲代 DNA
的 碱基序列一致,即子代保留了亲代的全部遗传信息,体现了遗传的 保守性 。
半保留复制的意义遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，
但 不是绝对的 。
目 录原核生物复制时,DNA从 起始点 (origin)
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 。
二、双向复制复制中的放射自显影图象目 录
A,环状双链 DNA及复制起始点
B,复制中的两个复制叉
C,复制接近终止点 (termination,ter)
ori
ter
A B C
目 录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之间的距离定为一个 复制子 (replicon) 。复制子是独立完成复制的功能单位。
目 录
5’
3’
ori ori ori ori
5’
3’
5’
5’3’
3’
5’
5’3’
复制子
3’
目 录三、复制的半不连续性
3?
5?
3?
5?
解链方向领头链
(leading strand)
随从链
(lagging strand)
目 录
顺着解链方向生成的子链,复制是连续进行的,
这股链称为 领头链 。
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,这股不连续复制的链称为 随从链 。 复制中的不连续片段称为 岡崎片段
(okazaki fragment)。
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 。
目 录
DNA复制的酶学
The Enzymology of DNA Replication
第二节目 录
参与 DNA复制的物质底物 (substrate),dATP,dGTP,dCTP,dTTP
聚合酶 (polymerase),依赖 DNA的 DNA聚合酶，简写为 DNA-pol
模板 (template),解开成单链的 DNA母链引物 (primer),提供 3?-OH末端使 dNTP可以依次聚合其他的酶和蛋白质因子一、复制的化学反应
(dNMP)n + dNTP → (dNMP) n+1 + PPi
目 录目 录
聚合反应的特点
DNA 新链生成需 引物 和 模板 ；
新链的延长只可沿 5? → 3?方向进行 。
目 录二,DNA聚合酶全称,依赖 DNA的 DNA聚合酶 (DNA-
dependent DNA polymerase)
简称,DNA-pol
活性,1,53? 的聚合活性
2,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
5 3?外切酶活性能切除突变的 DNA片段。
能辨认错配的碱基对，并将其水解。
核酸外切酶活性目 录目 录
（一）原核生物的 DNA聚合酶
DNA-pol Ⅰ
DNA-pol Ⅱ
DNA-pol Ⅲ
目 录
（一）原核生物的 DNA聚合酶可能不可能可能基因突变后的致死性无无有5? → 3? 核酸外切酶活性
20？400分子数 / 细胞多亚基不对称二聚体
？单肽链组成
250120109分子量 ( kD )
DNA - po l IIIDNA - po l IIDNA - po l I
无无有→
？
？
目 录功能,对复制中的错误进行校读，对复制和修复中出现的空隙进行填补。
DNA-pol Ⅰ
（ 109kD）
目 录
323个氨基酸小片段
5核酸外切酶活性大片段 /Klenow 片段
604个氨基酸
DNA聚合酶活性
5? 核酸外切酶活性
N 端 C 端木瓜蛋白酶
DNA-pol Ⅰ
Klenow片段是实验室合成 DNA，进行分子生物学研究中常用的工具酶。
目 录
DNA-pol Ⅱ （ 120kD）
DNA-pol II基因发生突变，细菌依然能存活。
它参与 DNA损伤的应急状态修复。
目 录功能是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶 。
DNA-pol Ⅲ
(250kD)
目 录
（二）真核生物的 DNA聚合酶
DNA-pol? 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。
参与低保真度的复制 。
在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。
在 线粒体 DNA复制中起催化作用。
DNA-pol?
DNA-pol?
DNA-pol?
DNA-pol?
目 录
（二）真核生物的 DNA聚合酶填补引物空隙，切除修复，
重组延长子链的主要酶，
解螺旋酶活性线粒体
DNA 复制低保真度的复制起始引发，引物酶活性功能
+++--
3? → 5? 核酸外切酶活性高高高？中5? → 3? 聚合活性
25,512,514,04.016,5分子量（ kD ）
εδγβαDNA - po l
复制制性
→
高高高？中→
.5.5.0.5）
目 录三、复制保真性的酶学依据
复制按照碱基配对规律进行，是遗传信息能准确传代的基本原理。
复制保真性的酶学机制：
（一） DNA-pol的核酸外切酶活性和及时校读
（ 二 ） 复制的保真性和碱基选择目 录
（一） DNA-pol的核酸外切酶活性和及时校读
A,DNA-pol的外切酶活性切除错配碱基；并用其聚合活性掺入正确配对的底物。
B：碱基配对正确,DNA-pol不表现活性。
目 录
（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）
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，与相应的嘧啶形成氢键配对，嘌呤应处于 反式构型 。
目 录
1,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；
3,复制出错时 DNA-pol的及时校读功能。
DNA复制的保真性至少要依赖三种机制目 录四、复制中的分子解链及 DNA 分子拓扑学变化
DNA分子的碱基埋在双螺旋内部，只有把
DNA解成单链，它才能起模板作用。
目 录
（一）解螺旋酶、引物酶和单链 DNA结合蛋白理顺 DNA 链拓扑异构酶 ( g yrA,B)
稳定已解开的单链单链 DNA
结合蛋白
SSB
催化 RNA 引物生成引物酶DnaG ( dnaG )
运送和协同 DnaBDnaC ( dnaC )
解开 DNA 双链解螺旋酶DnaB ( dnaB )
辨认起始点DnaA ( dnaA )
蛋白质（基因） 通用名 功能原核生物复制起始的相关蛋白质
E,Coli 基因图目 录目 录
解螺旋酶 (helicase)
—— 利用 ATP供能，作用于氢键，使 DNA双链解开成为两条单链
引物酶 (primase)
—— 复制起始时催化生成 RNA引物的酶
单链 DNA结合蛋白 (single stranded DNA binding
protein,SSB)
—— 在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整目 录
10
8
局部解链后
（二） DNA拓扑异构酶 (DNA topoisomerase)
解链过程中正超螺旋的形成目 录目 录
拓扑异构酶作用特点既能水解,又能连接磷酸二酯键拓扑异构酶 Ⅰ
拓扑异构酶 Ⅱ
分 类目 录拓扑异构酶 Ⅰ
切断 DNA双链中 一股 链，使 DNA
解链旋转不致打结；适当时候封闭切口,DNA变为松弛状态 。
反应 不需 ATP。
拓扑异构酶 Ⅱ
切断 DNA分子 两股 链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。
利用 ATP供能，连接断端,DNA
分子进入负超螺旋状态。
作用机制目 录目 录五,DNA连接酶连接 DNA链 3?-OH末端和相邻 DNA链 5?-P
末端,使二者生成磷酸二酯键,从而把两段相邻的 DNA链连接成一条完整的链 。
DNA连接酶 (DNA ligase)作用方式
P
O
O-
O-
O
HO 5’
P
O
O-
O-
O
3’
3’ 5’
DNA连接酶
ATP
ADP
5’ 3’
5’ 3’
目 录目 录
DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的作用 。
在 DNA修复,重组及剪接中也起缝合缺口作用 。
也是基因工程的重要工具酶之一 。
功能目 录
DNA生物合成过程
The Process of DNA Replication
第三节目 录
（一）复制的起始需要解决两个问题：
1,DNA解开成单链，提供模板。
2,合成引物，提供 3?-OH末端。
一、原核生物的 DNA生物合成目 录
E.coli复制起始点 oriC
GATTNTTTATTT ··· GATCTNTTNTATT ··· GATCTCTTATTAG ···
1 13 17 29 32 44
···TGTGGATTA-‖ -TTATACACA-‖ -TTTGGATAA-‖ -TTATCCACA
58 66 166 174 201 209 237 245
串联重复序列 反向重复序列
5?
3? 5?
3?
1,DNA解链目 录
Dna A
Dna B,Dna C
DNA拓扑异构酶 SSB
3?
5?
3?
5?
2,引发体和引物含有解螺旋酶,DnaC蛋白、引物酶和 DNA
复制起始区域的复合结构称为引发体。
目 录
3?
5?
3?
5?
引物是由引物酶催化合成的短链 RNA分子。
引物目 录
（二）复制的延长复制的延长指在 DNA-pol催化下,dNTP以
dNMP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键的不断生成 。
目 录
5'3'
5'
dATP
dGTP dTTP
dCTP
dTTP
dGTPdATPdCTP
OH 3' 3'DNA-pol
目 录领头链的合成目 录随从链的合成 目 录目 录目 录阶段一 阶段二目 录阶段三 阶段四复制过程简图目 录目 录复 制 过 程 动 画目 录
原核生物基因是环状 DNA，双向复制的复制片段在复制的终止点 (ter)处汇合。
ori
ter
E.coli
82
32
ori
ter
SV40
50
0
（三）复制的终止目 录
5?
5?
5?
RNA酶
OH P5?
DNA-pol ⅠdNTP
5?
5? P
ATP
ADP+Pi
5?
5?
DNA连接酶
随从链上不连续性片段的连接目 录目 录哺乳动物的细胞周期DNA合成期
G1
G2
S M
二、真核生物的 DNA生物合成
细胞能否分裂,决定于进入 S期及 M期这两个关键点 。 G1→S 及 G2→M 的调节,与蛋白激酶活性有关 。
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 。
目 录
真核生物每个染色体有多个起始点,是多复制子复制 。 复制有时序性,即复制子以分组方式激活而不是同步起动 。
复制的起始需要 DNA-polα（ 引物酶活性 ） 和 polδ
（ 解螺旋酶活性 ） 参与 。 还需拓扑酶和复制因子
(replication factor,RF)。
增殖细胞核抗原 (proliferation cell nuclear antigen,
PCNA)在复制起始和延长中起关键作用 。
（一）复制的起始目 录
3?
5?
5?
3?
领头链
3?
5?
3?
5?
亲代 DNA
随从链引物核小体
（二）复制的延长目 录
染色体 DNA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。
染色体两端 DNA子链上最后复制的 RNA引物，
去除后留下空隙。
（三）复制的终止
5?
3?
3?
5?
5?
3?
3?
5?
+
5?
3?
3?
3?
3?
5?
5?
目 录目 录切除引物的两种机制目 录目 录
端粒 (telomere)
指真核生物染色体线性 DNA分子末端的结构。
功能? 维持染色体的稳定性
维持 DNA复制的完整性结构特点
由末端单链 DNA序列和蛋白质构成。
末端 DNA序列是多次重复的富含 G,C碱基的短 序列。
TTTTGGGGTTTTGGGG…
目 录
端粒酶 (telomerase)
端粒酶 RNA (human telomerase RNA,hTR)
端粒酶协同蛋白 (human telomerase associated
protein 1,hTP1)
端粒酶逆转录酶 (human telomerase reverse
transcriptase,hTRT)
组成端粒酶的催化延长作用爬行模型目 录
DNA聚合酶复制子链进一步加工目 录目 录逆转录和其他复制方式
Reverse Transcription and Other DNA
Replication Ways
第四节目 录逆转录酶 (reverse transcriptase)
逆转录 (reverse transcription)
逆转录 酶一、逆转录病毒和逆转录酶目 录逆转录病毒细胞内的逆转录现象
RNA 模板逆转录酶
DNA-RNA 杂化双链
RNA酶单链 DNA
逆转录酶双链 DNA
目 录逆转录酶
A AA A
T T T T
AAAA
SI核酸酶
DNA聚合酶 Ⅰ
碱水解
T T T T
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因的重要方法之一，此法称为 cDNA法。
以 mRNA为模板，经逆转录合成的与 mRNA碱基序列互补的 DNA链。
试管内合成 cDNA
cDNA?complementary DNA?
目 录二、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的重大发现。
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。
对逆转录病毒的研究，拓宽了 20世纪初已注意到的病毒致癌理论。
目 录
滚环复制 (rolling circle replication)
三、滚环复制和 D环复制是某些低等生物的复制形式，如?X174和
M13噬菌体等。
3?-OH5?-P
5?
5?
5?
3?
3?
3?
3?
5'
滚环复制
5'
5? 3?3? 5?
目 录目 录
dNTP
DNA-pol γ
D环复制 (D-loop replication)
是线粒体 DNA (mitochondrial DNA,mtDNA)
的复制形式。
目 录
DNA损伤（突变）与修复
DNA Damage (Mutation) and Repair
第五节目 录遗传物质的结构改变而引起的遗传信息改变，均可称为 突变。
在复制过程中发生的 DNA突变称为 DNA
损伤 (DNA damage)。
从分子水平来看，突变就是 DNA分子上碱基的改变。
目 录一、突变的意义
（一）突变是进化、分化的分子基础
（二）突变导致基因型改变
（三）突变导致死亡
（四）突变是某些疾病的发病基础目 录二、引发突变的因素物理因素 紫外线 (ultra violet,UV)、各种辐射
UV
化学因素常见的化学诱变剂化合物类别 作 用 点 分子改变碱基类似物如,5 - BU
A? 5 - BU? G
- A -
- T -
- G -
- C -
羟胺类（ NH
2
OH ） T? C
- T -
- A -
- C -
- G -
亚硝酸盐（ NO
2
） C? U
- G -
- C -
- A -
- T -
烷化剂如：氮芥类,Nitromins
G?
m
G DN A 缺失 G
目 录目 录三、突变的分子改变类型
错配 (mismatch)
缺失 (deletion)
插入 (insertion)
重排 (rearrangement)
框移
(frame-shift)
目 录
DNA分子上的碱基错配称 点突变 (point mutation)。
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。
1,转换发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。
2,颠换
（一）错配目 录镰形红细胞贫血病人 Hb (HbS) β亚基
N-val ·his ·leu ·thr ·pro ·val ·glu ······C 肽链
CAC
GTG基因正常成人 Hb (HbA)β亚基
N-val ·his ·leu ·thr ·pro ·glu ·glu ······C 肽链
CTC
GAG基因目 录
（二）缺失,插入 和框移缺失,一个碱基或一段核苷酸链从 DNA大分子上消失。
插入,原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到 DNA大分子中间。
框移突变 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。
缺失或插入都可导致 框移突变 。
目 录谷 酪 蛋 丝
5’ …… G C A G U A C A U G U C ……
丙 缬 组 缬正常
5’ …… G A G U A C A U G U C … …缺失 C
缺失引起框移突变目 录
（三）重排
DNA分子内较大片段的交换，称为重组或重排。
由基因重排引起的两种地中海贫血基因型目 录目 录四,DNA损伤的修复修复 (repairing)
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。
光修复 (light repairing)
切除修复 (excision repairing)
重组修复 (recombination repairing)
SOS修复修复的主要类型目 录
（一）光修复光修复酶
(photolyase)
UV
UvrA UvrB
UvrC
OH P
DNA聚合酶 Ⅰ
OH P
（二）切除修复是细胞内最重要和有效的修复机制，主要由 DNA-polⅠ 和连接酶完成。
DNA连接酶 ATP
E.coli的切除修复机制目 录目 录切 除 修 复 动 画目 录
（三）重组修复目 录
（四） SOS修复
当 DNA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 。
在 E,coli,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 。
目 录附 录目 录催化 DNA
聚合参与 DNA损伤的应急状态修复修复合成、
切除引物、
填补空隙功能
2040400分子数 /细胞
1011亚基数
+-+5外切酶活性
+++ 5?外切酶活性
+++5聚合酶活性
pol IIIpol IIpol I
E,Coli中的 DNA聚合酶
