第十一章 核酸的生物学功能及
RNA的生物合成 (转录 )
第一部分 DNA的生物合成
本章重点与难点
重点：掌握中心法则；半保留复制、半不
连续复制、反转录、基因工程的概念；参
与 DNA复制的有关酶类和蛋白质及 DNA的复
制过程； DNA损伤修复的方式。
难点：对 DNA的半保留复制、半不连续复
制的理解。
遗传的中心法则
1958年 Crick提出以 DNA为中心的遗传信息的传递规
律，即 DNA贮存的遗传信息通过复制传给子代 DNA，通过
转录传给 RNA，再通过翻译传给蛋白质。遗传信息传递方
向的这个规律被称为～。
DNA RNA 蛋白质
复制 复制 转录 翻译
反转录
1970年 Temin和 Baltimore发现 RNA病毒的 RNA可通过反转录
（逆转录）将遗传信息传给 cDNA，也可通过 RNA复制或
RNA转录传给子代 RNA，这是对中心法则的补充。
1997年疯牛病和朊病毒的出现，预示蛋白质也可逆向将遗传
信息向 DNA传递。
？
复制（ DDDP ）
转录（ DDRP ） 翻译
DNA mRNA 蛋白质
反转录（ RDDP ）
RNA
复制（ RDRP ）
? DNA是由四种脱氧核糖核酸所组成的长链大
分子, 是遗传信息的携带者 。
? 生物体的遗传信息就贮存在 DNA的四种脱氧
核糖核酸的排列顺序中 。
复制 (replication)
是指遗传物质的传代，以亲代（母链）
DNA为模板合成子链 DNA的过程。
复制
亲代 DNA
子代 DNA
一,DNA复制的基本规律
（一般原理）
Basic Rules of DNA Replication
?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)
（一） DNA复制是半保留复制 (semi-conservative
replication)
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
?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（散布式）
?DNA以半保留方式进行复制, 是在 1958年由 M,Meselson
和 F,Stahl 所完成的密度飘移实验所证明 。 该实验首先
将大肠杆菌在含 15N的培养基中培养约十五代, 使其 DNA中
的碱基氮均转变为 15N。 将大肠杆菌移至只含 14N的培养基
中同步培养一代, 二代, 三代 。 分别提取 DNA,作密度梯
度离心, 可得到下列结果,
?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
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 。
原核生物复制时,DNA从原点 (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） DNA复制是固定起点的双向复制
复制中的放射自显影图象
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
真核生物每个染色体有多个复制原点，
是多复制子的复制。
习惯上把两个相邻复制原点之间的距
离定为一个 复制子 (replicon) 。复制子是
能够独立完成复制的功能单位。
5’
3’
ori ori ori ori
5’
3’
5’
5’ 3’
3’
5’
5’ 3’
复制子
3’
（三） DNA复制是半不连续复制
3?
5?
3?
5?
解链方向
领头链
(leading strand)
随从链
(lagging strand)
? 顺着解链方向生成的子链, 复制是连续进行的, 这
股链称为 先导链 或 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
后链或 随从链 。 复制中的不连续片段 （ 约 1000个核
苷酸 ） 称为 岡崎片段 (okazaki fragment,1968)。
? 先导链连续复制而随后链不连续复制, 称为半不连
续复制或复制的 半不连续性 。
? 由于亲代 DNA双链在复制
时是逐步解开的, 因此,
随从链的合成也是一段一
段的 。 DNA在复制时, 由
随从链所形成的一些子代
DNA短链称为 冈崎片段
(Okazaki fragment)。
? 冈崎片段的大小, 在原核
生物中约为 1000～ 2000个
核苷酸, 而在真核生物中
约为 100个核苷酸 。
（四）需要引物
? 参与 DNA复制的 DNA聚合酶, 必须以一段
具有 3’端自由羟基 （ 3’-OH） 的 RNA作为 引
物 (primer), 才能开始聚合子代 DNA链 。
? RNA引物的大小, 在原核生物中通常为
50～ 100个核苷酸, 而在真核生物中约为
10个核苷酸 。 RNA引物的碱基顺序, 与其
模板 DNA的碱基顺序相配对 。
二,DNA复制的酶学
（ DNA复制相关的酶和蛋白质）
The Enzymology of DNA Replication
?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 DDDP或 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
?聚合反应的特点
DNA 新链生成需 引物 和 模板
DNA复制是模板依赖性的，必须要以亲代 DNA链
作为模板。亲代 DNA的两股链解开后，可分别作
为模板进行复制。
新链的延长只可沿 5? → 3?方向进行（模板方向为 3 ? → 5 ?,
合成方向为 5? → 3? 。）
（二） DNA聚合酶
全称,DNA依赖的 DNA聚合酶 (DNA-
dependent DNA polymerase)
简称,DNA-pol
活性,1,5??3? 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片段和 RNA引物。
能辨认错配的碱基对，并将其水解。
? 核酸外切酶活性
目 录
1、原核生物的 DNA聚合酶
DNA-pol Ⅰ
DNA-pol Ⅱ
DNA-pol Ⅲ
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
20 40 400 分子数 /细胞
10 1 1 亚基数
+ - + 5?? ??外切酶活性
+ + + ??? 5?外切酶活性
+ + + 5?? ??聚合酶活性
pol III pol II pol I
E,Coli中的 DNA聚合酶
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 )
D NA - p ol IIID NA - p ol IID NA - p ol I
可能不可能可能基因突变后的致死性
无无有→ 核酸外切酶活性
？分子数 细胞
多亚基不对称
二聚体
？单肽链组成
分子量
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）
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。
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。
功能,是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶 。
DNA-pol Ⅲ,由十种亚基组成，其中 α 亚基具有
5'→3' 聚合 DNA的酶活性，因而具有复制 DNA的功能；而
ε 亚基具有 3'→5' 外切酶的活性，因而与 DNA复制的校
正功能有关。 (250kD)
2、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 ?
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→
）
?在真核生物中，目前发现的 DNA聚合酶有五种，
分别命名为 DNA聚合酶 α （ pol α ）,DNA聚合
酶 β （ pol β ）,DNA聚合酶 γ （ pol γ ），
DNA聚合酶 δ （ pol δ ）,DNA聚合酶 ε （ pol
ε ）。
?其中，参与染色体 DNA复制的是 pol α （延长
随从链）和 pol δ （延长领头链），参与线粒
体 DNA复制的是 pol γ, polε 与 DNA损伤修复、
校读和填补缺口有关,pol β 只在其他聚合酶
无活性时才发挥作用。
（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,
?DNA-pol的核酸外切酶活性和及时校读
?复制的保真性和碱基选择
1,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。
2、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 。
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
（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。
1、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
SS B
催化 RNA 引物生成引物酶Dna G ( dn aG )
运送和协同 Dna BDna C ( dn aC )
解开 DNA 双链解螺旋酶Dna B ( dn aB )
辨认起始点Dna A ( dn aA )
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
? 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
单链 DNA结合蛋白
? 单链 DNA结合蛋白 （ single strand binding
protein,SSB） 又称螺旋反稳蛋白 （ HDP） 。
这是一些能够与单链 DNA结合的蛋白质因子 。
其作用为,① 使解开双螺旋后的 DNA单链能够
稳定存在, 即稳定单链 DNA,便于以其为模板
复制子代 DNA； ② 保护单链 DNA,避免核酸酶
的降解 。
?解螺旋酶
（ unwinding
enzyme）,又称
解链酶或 rep蛋白，
是用于解开 DNA双
链的酶蛋白，每解
开一对碱基，需消
耗两分子 ATP。目
前发现存在至少存
在两种解螺旋酶。
?引发体 (primosome)由引发前体与引物酶
（ primase）组装而成。
?引物酶本质上是一种依赖 DNA的 RNA聚合酶
（ DDRP），该酶以 DNA为模板，聚合一段 RNA短链引
物 (primer)，以提供自由的 3'-OH，使子代 DNA链能
够开始聚合。
10
8
局部解链后
2,DNA拓扑异构酶 (DNA topoisomerase)
解链过程中正超螺旋的形成
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
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
（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’
? DNA连接酶催化的条
件是,① 需一段 DNA
片段具有 3'-OH,而
另一段 DNA片段具有
5'-Pi基； ② 未封闭
的缺口位于双链 DNA
中, 即其中有一条链
是完整的； ③ 需要
消耗能量, 在 原核生
物中由 NAD+供能, 在
真核生物中由 ATP供
能 。
? 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
三,DNA生物合成过程
The Process of DNA Replication
1、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
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?
a,DNA解链
Dna A
Dna B,Dna C
DNA拓扑异构酶 SSB
3?
5?
3?
5?
b,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。
3?
5?
3?
5?
引物是由引物酶催化合成的短链 RNA分子。
引物
复制的起始
DNA复制的起始阶段, 由下列两步构成 。
预引发,
1,解旋解链, 形成复制叉,
? 由拓扑异构酶和解链酶作用, 使 DNA的超螺旋及
双螺旋结构解开, 碱基间氢键断裂, 形成两条单
链 DNA。 单链 DNA结合蛋白 （ SSB） 结合在两条单
链 DNA上, 形成复制叉 。
? DNA复制时, 局部双螺旋解开形成两条单链, 这
种叉状结构称为 复制叉 。
2,引发体组装,
? 由蛋白因子 （ 如 dnaB等 ） 识别复制起始
点, 并与其他蛋白因子以及引物酶一起
组装形成引发体 。
引发,
? 在引物酶的催化下，以 DNA为模板，合成
一段短的 RNA片段，从而获得 3'端自由羟
基（ 3'-OH）。
2、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 。
聚合子代 DNA,
? 由 DNA聚合酶催化，以 3'→5' 方向的亲代 DNA链
为模板，从 5'→3' 方向聚合子代 DNA链。在原
核生物中，参与 DNA复制延长的是 DNA聚合酶 Ⅲ ；
而在真核生物中，是 DNA聚合酶 α (延长随从链 )
和 δ （延长领头链） 。
引发体移动,
? 引发体向前移动，解开新的局部双螺旋，
形成新的复制叉，随从链重新合成 RNA引
物，继续进行链的延长。
5' 3'
5'
dATP
dGTP dTTP
dCTP
dTTP
dGTP dATP dCTP
OH 3' 3' DNA-pol
领头链的合成
随从链的合成
阶段一 阶段二
阶段三 阶段四
复
制
过
程
简
图
? 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
3、复制的终止
5?
5?
5?
RNA酶
OH P 5?
DNA-pol Ⅰ dNTP
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
去除引物, 填补缺口,
? 在原核生物中，由 DNA聚合酶 Ⅰ 来水解去
除 RNA引物，并由该酶催化延长引物缺口
处的 DNA，直到剩下最后一个磷酸酯键的
缺口。而在真核生物中,RNA引物的去除，
由一种特殊的核酸酶来水解，而冈崎片
段仍由 DNA聚合酶来延长。
连接冈崎片段,
? 在 DNA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 DNA长链。
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 。
? 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)。
1、复制的起始
3?
5?
5?
3?
领头链
3?
5?
3?
5?
亲代 DNA
随从链
引物
核小体
2、复制的延长
? 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。
3、复制的终止
5?
3?
3?
5?
5?
3?
3?
5?
+
5?
3?
3?
3?
3?
5?
5?
切除引物的两种机制
? 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…
?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
DNA聚合酶复制子链
进一步加工
四、逆转录和其他复制方式
Reverse Transcription and Other DNA
Replication Ways
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
反转录 （ reverse transcription）,以 RNA为模板, 合
成 DNA。 与通常转录过程中遗传信息流从 DNA到 RNA
的方向相反 。
1970年, Temin 和 Baltimore分别从致癌 RNA病毒 （ 劳
氏肉瘤病毒和鼠白血病病毒 ） 中发现发反转录酶 。
致癌 RNA病毒是一大类能引起鸟类, 哺乳类等动物白血
病, 肉瘤以及其它肿瘤的病毒 。 这类病毒侵染细胞
后并不引起细胞死亡, 却可以使细胞发生恶性转化 。
经过改造后可以作为基因治疗的载体 。
放线菌素 D（ 抑制以 DNA为模板的反应, 复制和转录 ）
能抑制致癌 RNA病毒的复制, 可见致癌 RNA病毒的复
制过程必然涉及 DNA。
Bader 用嘌呤霉素 （ puromycin） 来抑制静止细胞蛋白
质的合成, 发现这种细胞仍能感染劳氏肉瘤病毒
（ RSV）, 证实反转录酶是由反转录病毒带入细胞的,
而不是感染后在宿主细胞中新合成的 。
反转录酶
由一个 α亚基和一个 β亚基组成, 含有 Zn2+,具有三种酶活力 。
（ 1） RNA指导的 DNA聚合酶活力 （ 以 RNA为模板, 合成一条互
补的 DNA,形成 RNA— DNA杂种分子 ） 。
（ 2） RNase H酶活力, 水解 RNA— DNA杂种分子中的 RNA,可
沿 3’→ 5’和 5’→ 3’两个方向起外切酶作用 。
（ 3） DNA指导的 DNA聚合酶活力 。
模板,RNA或 DNA
以自身病毒类型的 RNA为模板时, 该酶的反转录活力最大, 但是
带有适当引物的任何种类的 RNA都能作为合成 DNA的模板 。
引物,RNA或 DNA
底物,dNTP
二价阳离子,Mg2+或 Mn2+
真核 mRNA3’端有 polyA,加入 oligo dT后, 可以作为反转录酶的
模板, 合成 cDNA。
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
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?
（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。
? 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?-OH 5?-P
5?
5?
5?
3?
3?
3?
3?
5'
滚环复制
5'
??
5? 3? 3? 5?
dNTP
DNA-pol γ
? D环复制 (D-loop replication)
是线粒体 DNA (mitochondrial DNA,mtDNA)
的复制形式。
五,DNA损伤（突变）与修复
DNA Damage (Mutation) and Repair
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)。
一些物理化学因子如紫外线, 电离辐射
和化学诱变剂均可引起 DNA损伤, 破坏其结
构与功能 。 然而在一定条件下, 生物机体能
使这种损伤得到修复 。
从分子水平来看，突变就是 DNA分子上
碱基的改变。
（一）突变的意义
1、突变是进化、分化的分子基础
2、突变导致基因型改变
3、突变导致死亡
4、突变是某些疾病的发病基础
（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,Nitromin s
G ?
m
G DN A 缺失 G
（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)
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
1、错配
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
2、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 。
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
3、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
（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
1、光修复
光修复酶
(photolyase)
UV
UvrA UvrB
UvrC
OH P
DNA聚合酶 Ⅰ
OH P
2、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。包括切－补－切
－封四个步骤。
DNA连接酶 ATP
E.coli的切除
修复机制
3、重组修复
切除修复发生在 DNA复制之前, 而当 DNA发动复
制时尚未修复的损伤部位, 可以先复制, 再重
组修复 。
在重组修复过程中, DNA链的损伤并未除去 。
重组修复至少需要 4种酶组分 。
重组基因 recA编码一种分子量为 40000的蛋白质,
它具有交换 DNA链的活力 。 RecA蛋白被认为
在 DNA重组和重组修复中均起关键作用 。
recB,recC基因分别编码核酸外切酶 V的两个亚
基 。
此外, 修复合成还需要 DNA聚合酶和连接酶 。
4,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 。
诱导修复和应急反应 （ SOS反应 ）
诱导修复是细胞 DNA受到严重损伤或 DNA复制系统受到
抑制的紧急情况下, 为求得生存而出现的一系列诱
导性修复 。
SOS反应诱导的修复系统包括避免差错的修复 （ 无差错
修复 ） 和倾向差错的修复 。
避免差错的修复,SOS反应能诱导光复活切除修复和重
组修复中某些关键酶和蛋白质的产生, 从而加强光
复活切除修复和重组修复的能力, 这属于避免差错
的修复 。
倾向差错的修复,SOS反应还能诱导产生缺乏校对功能
的 DNA聚合酶, 它能在 DNA损伤部位进行复制而避免
了死亡, 可是却带来了高的突变率, 这属于倾向差
错的修复 。
第二部分 RNA的生物合成
本章重点与难点
重点：掌握 RNA生物合成方式、酶类及合
成后加工,RNA合成后加工的意义,RNA合
成的起始与终止,RNA的复制、核酶。
难点,RNA合成的起始与终止；真核生物
RNA转录后加工；核酶。
一、转录 (transcription)
生物体以 DNA为模板合成 RNA的过程 。
转
录
RNA DNA
复制和转录的区别
A - U, T - A, G - CA - T, G - C配对
mRNA, tRNA, r RNA子代双链 DNA
（ 半保留复制）
产物
RNA 聚合酶（ RNA - pol ）DNA 聚合酶酶
NT PdN TP原料
模板链转录（不对称转录）两股链均复制模板
转录复制
，,，
，,
（
）酶
参与转录的物质
原料, NTP (ATP,UTP,GTP,CTP)
模板, DNA
酶, RNA聚合酶 (RNA polymerase,RNA-pol)
其他蛋白质因子
（一）转录模板
? DNA上为一种或几种蛋白质的全部氨基酸编码的
核苷酸顺序称为 基因 。
? DNA分子上编码蛋白质的基因片段, 称为 结构基
因 (structural gene)。
? DNA上有重复基因, 重叠基因和不连续基因 。
? DNA上插入而不编码的序列称为内含子
? 被间隔的编码蛋白质的基因部分称为外显子 。
5′···GCAGTACATGTC ···3′
3′··· c g t g a t g t a c a g ···5′
5′···GCAGUACAUGUC ···3′
N····Ala · Val · His · Val ····C
编码链
模板链
mRNA
蛋白质
转录
翻译
DNA双链中按碱基配对规律能指导转录生成
RNA的一股单链，称为 模板链 (template strand)，也
称作 有意义链 或 Watson链 。相对的另一股单链是 编
码链 (coding strand)，也称为 反义链 或 Crick链 。
5?
3?
3?
5?
模板链 编码链
编码链 模板链
结构基因
转录方向
转录方向
不对称转录 (asymmetric transcription)
? 在 DNA分子双链上某一区段，一股链用作
模板指引转录，另一股链不转录 ；
? 模板链并非永远在同一条单链上。
（二 )RNA聚合酶
1、原核生物的 RNA聚合酶
? 3 65 12 决定哪些基因被转录
? 15 0 6 18 催化功能
?? 15 5 6 13 结合 D NA 模板
? 7 02 63 辨认起始点
亚 基 分 子 量 功 能
核心酶 (core enzyme)
全酶 (holoenzyme)
??
?
? ?
?
??
?
? ?
RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合
2、真核生物的 RNA聚合酶
种类 Ⅰ Ⅱ Ⅲ
对鹅膏蕈碱
的反应
45S - r R N A hn RN A 5S - r R N A
tR NA
sn R NA
耐受 极敏感 中度敏感
转录产物
（三）模板上酶的辨认、结合
原核生物一个转录区段可视为一个转录单
位, 称为 操纵子 (operon),包括若干个 结构基因
及其上游 (upstream)的 调控序列 。
5?
3?
3?
5?
结构基因 调控序列
RNA-pol
RNA聚合酶结合模板 DNA的部位，称为 启
动子 (promoter)。
开始转录
T T G A C A
A A C T G T
-35 区
(Pribnow box)
T A T A A T Pu
A T A T T A Py
-10 区
1 -30 -50 10 -10 -40 -20
5 ?
3 ?
3 ?
5 ?
原核生物启动子保守序列
RNA-pol辨认位点
(recognition site)
5?
5?
RNA聚合酶保护区 结构基因
3?
3?
TATA盒
CAAT盒
GC盒
增强子
顺式作用元件
结构基因
-GCGC---CAAT---TATA
转录起始
真核生物启动子保守序列
1）转录起始
转录起始需解决两个问题,
1,RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的
起始区域。
2,DNA双链解开，使其中的一条链作为转录
的模板。
（四）原核生物的转录过程
2,DNA双链解开
1,RNA聚合酶全酶 (?2????)与模板结合
3,在 RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，
形成转录起始复合物
RNApol (?2????) - DNA - pppGpN- OH 3?
转录起始复合物,
5?-pppG -OH + NTP ? 5?-pppGpN - OH 3? + ppi
转录起始过程
2）转录延长
1,?亚基脱落,RNA–pol聚合酶核心酶变构，
与模板结合松弛，沿着 DNA模板前移；
2,在 核心酶 作用下,NTP不断聚合,RNA链
不断延长。
(NMP) n + NTP ?? (NMP) n+1 + PPi
转录空泡 (transcription bubble),
RNA-pol （核心酶） ·· DNA ·· RNA
5?
3?
DNA
原核生物转录过程中的羽毛状现象
核糖体
RNA
RNA聚合酶
? 依赖 Rho (ρ)因子的转录终止
? 非依赖 Rho因子的转录终止
3）转录终止
指 RNA聚合酶在 DNA模板上停顿下来不
再前进, 转录产物 RNA链从转录复合物上脱
落下来 。
分类
A T P
1,依赖 Rho因子的转录终止
2,非依赖 Rho因子的转录终止
DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱
基序列，转录出 RNA后,RNA产物形成特殊
的结构来终止转录。
5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU..,3` `
RNA
5?TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT..,3?
DNA
UUUU...…
UUUU...…
茎环 (stem-loop)/发夹 (hairpin)结构
茎环结构使转录终止的机理
? 使 RNA聚合酶变构，转录停顿；
? 使转录复合物趋于解离,RNA产物释放。
5′pppG
5?
3?
3?
5?
RNA-pol
（五）真核生物的转录起始
1）转录起始
真核生物的转录起始上游区段比原核生物
多样化, 转录起始时, RNA-pol不直接结合模
板, 其起始过程比原核生物复杂 。
转录起始点
TATA盒
CAAT盒
GC盒
增强子
顺式作用元件 (cis-acting element)
1,转录起始前的上游区段
AATAAA
切离加尾
转录终止点
修饰点
外显子 翻译起始点
内
含
子
OCT-1
OCT-1,ATTTGCAT八聚体
2,转录因子
能直接、间接辨认和结合转录上游区段
DNA的蛋白质，现已发现数百种，统称为 反
式作用因子 (trans-acting factors)。
反式作用因子中，直接或间接结合 RNA
聚合酶的，则称为 转录因子 (transcriptional
factors,TF)。
参与 RNA-polⅡ 转录的 TFⅡ
蛋白激酶活性，使 CT D 磷
酸化
TF Ⅱ H
AT P ase57 （ ? ） 34 （ ? ）TF Ⅱ E
解螺旋酶30, 74TF Ⅱ F
促进 RNA - po l Ⅱ 结合及作
为其他因子结合的桥梁
33TF Ⅱ B
稳定 TF Ⅱ D - DNA 复合物12, 19, 35TF Ⅱ A
辅助 TBP - DNA 结合TA F **
结合 TA TA 盒TB P * 3 8TF Ⅱ D
功 能亚基组成，分子量 ( kD )转录因子
蛋白激酶活性，使 磷
酸化
Ⅱ
（ ） （ ）Ⅱ
解螺旋酶，Ⅱ
促进 Ⅱ 结合及作
为其他因子结合的桥梁
Ⅱ
稳定 Ⅱ 复合物，,Ⅱ
辅助 结合
结合 盒Ⅱ
功 能
3,转录起始前复合物
(pre-initiation complex,PIC)
真核生物 RNA-pol不与 DNA分子直接结
合，而需依靠众多的转录因子。
POL-Ⅱ TFⅡ F
Ⅱ A
Ⅱ B
由 RNA-Pol Ⅱ 催化转录的 PIC
POL-Ⅱ
TFⅡ F Ⅱ H Ⅱ E
TBP TAF
TFⅡ D-Ⅱ A-Ⅱ B-DNA复合物
TATA
Ⅱ A
Ⅱ B TBP
TAF
TATA
Ⅱ H Ⅱ E
CTD- P
PIC组装完成,TFⅡ H使 CTD磷酸化
2）转录延长
真核生物转录延长过程与原核生物大致相
似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的
现象。
RNA-pol前移处处都遇上核小体。
转录延长过程中可以观察到核小体移位和
解聚现象。
RNA-Pol
RNA-Pol
RNA-Pol
核小体 转
录
延
长
中
的
核
小
体
移
位
转录方向
核酸酶
RNA-pol AATAAA GTGTGTG
转录终止的修饰点
5?
5?
3?
3?
3?加尾
AAAAAAA···· 3? mRNA
3）转录终止
—— 和转录后修饰密切相关。
几种主要的修饰方式
1,剪接 (splicing) 2,剪切 (cleavage)
3,修饰 (modification) 4,添加 (addition)
二,RNA转录后的修饰
Post-transcriptional Modification
（一）真核生物 mRNA的转录后加工
1、首、尾的修饰
? 5?端形成 帽子结构 (m7GpppGp —)
? 3?端加上 多聚腺苷酸尾巴 (poly A tail)
帽子结构
5? pppGp…
5? GpppGp…
pppG
ppi
鸟苷酸
转移酶
5? m7GpppGp…
甲基转移酶 SAM
帽
子
结
构
的
生
成
5? ppGp… 磷酸酶
Pi
2） mRNA的剪接
1,hnRNA 和 snRNA
? 核内的初级 mRNA称为 杂化核 RNA (hetero-
nuclear RNA,hnRNA)
? snRNA (small nuclear RNA)
核内的蛋白质
小分子核糖核酸蛋白体
（并接体,splicesome）
snRNA
真核生物结构基因，由若干个编码区和非
编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非
编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成
的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。
断裂基因 (splite gene)
C A B D
编码区 A,B,C,D 非编码区
2,外显子 (exon)和内含子 (intron)
? 外显子
在断裂基因及其初级转录产物上出现，
并表达为成熟 RNA的核酸序列。
? 内含子
隔断基因的线性表达而在剪接过程中被
除去的核酸序列。
鸡卵清蛋白
基因
hnRNA
首、尾修饰
hnRNA剪接
成熟的 mRNA
鸡
卵
清
蛋
白
基
因
及
其
转
录、
转
录
后
修
饰
鸡卵清蛋白成熟 mRNA与 DNA杂交电镜图
DNA
mRNA
3,内含子的分类
根据基因的类型和剪接的方式，通常把内含
子分为 4类。
I,主要存在于线粒体, 叶绿体及某些低等真
核生物的 rRNA基因；
II,也发现于线粒体, 叶绿体, 转录产物是
mRNA；
III,是常见的形成套索结构后剪接, 大多数
mRNA基因有此类内含子；
IV,是 tRNA基因及其初级转录产物中的内
含子, 剪接过程需酶及 ATP。
4,mRNA的剪接
—— 除去 hnRNA中的内含子，将外显子连接。
?snRNP与 hnRNA结合成为并接体
①
②
③
UACUACA - AG
UG
U4
U5
U6
E1
E2
U1 U2
UACUACA - AG
UG U6
E1
E2
U1,U4,U5
pG-OH
(ppG-OH,pppG-OH)
U-OH
GpU pGpA
第一次转酯反应
第二次转酯反应
UpA GpU
外显子 1 内含子 外显子 2
G-OH
UpU
pGpA
? RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录
后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分
化加工 (differential RNA processing)。
5,mRNA的编辑 (mRNA editing)
人类 apo B基因
mRNA（ 14500个核苷酸）
肝脏
apo B100
（分子量为 500 000）
肠道细胞
apo B48
（分子量为 240 000）
mRNA编辑
（二） tRNA的转录后加工
tRNA前体
RNA pol Ⅲ
TGGCNNAGTGC GGTTCGANNCC
DNA
RNAaseP、
内切酶
tRNA核苷酸转移酶、
连接酶
ATP
ADP
碱基修饰
（ 2）还原反应
如,U ? DHU
（ 3）核苷内的转位反应
如,U ? ψ
（ 4）脱氨反应
如,A ? I
如,A ? Am
（ 1）甲基化
（ 1）
（ 1）
（ 3）
（ 2）
（ 4）
（三） rRNA的转录后加工
转录
45S - rRNA
剪接
18S - rRNA 5.8S和 28S-rRNA
rDNA
内含子 内含子 28S 5.8S 18S
三、真核生物与原核生物转录的异同点
P212－ 213
相同点,
不同点：四点
四、核 酶
具有酶促活性的 RNA称为核酶。
核酶 (ribozyme)
四膜虫 rRNA内含子的二级结构
四膜虫 rRNA的剪接采用 自我剪接 方式
5′-端核苷酸序列
? 最简单的核酶二级结构 ——槌头状结构
(hammerhead structure)
底物部分
? 通常为 60个核苷酸左右
? 同一分子上包括有催化
部份和底物部份
? 催化部份和底物部份组
成锤头结构
? 除 rRNA外,tRNA,mRNA的加工也可采用
自我剪接方式。
G
OH
3′
G
5′
OH
5′
3′
G
OH
414
G
399
5′
3′
395
5′
3′
E1
E2
I
四膜虫 RNA
的自我剪接
5′
3′
L19
RNA
具有催化活
性的片段
?核酶研究的意义
? 核酶的发现，对中心法则作了重要补充；
? 核酶的发现是对传统酶学的挑战；
? 利用核酶的结构设计合成人工核酶 。
人工设计的核酶
? 粗线表示合成的核酸分子
? 细线表示天然的核酸分子
? X 表示一致性序列
? 箭头表示切断点
RNA的生物合成 (转录 )
第一部分 DNA的生物合成
本章重点与难点
重点：掌握中心法则；半保留复制、半不
连续复制、反转录、基因工程的概念；参
与 DNA复制的有关酶类和蛋白质及 DNA的复
制过程； DNA损伤修复的方式。
难点：对 DNA的半保留复制、半不连续复
制的理解。
遗传的中心法则
1958年 Crick提出以 DNA为中心的遗传信息的传递规
律，即 DNA贮存的遗传信息通过复制传给子代 DNA，通过
转录传给 RNA，再通过翻译传给蛋白质。遗传信息传递方
向的这个规律被称为～。
DNA RNA 蛋白质
复制 复制 转录 翻译
反转录
1970年 Temin和 Baltimore发现 RNA病毒的 RNA可通过反转录
（逆转录）将遗传信息传给 cDNA，也可通过 RNA复制或
RNA转录传给子代 RNA，这是对中心法则的补充。
1997年疯牛病和朊病毒的出现，预示蛋白质也可逆向将遗传
信息向 DNA传递。
？
复制（ DDDP ）
转录（ DDRP ） 翻译
DNA mRNA 蛋白质
反转录（ RDDP ）
RNA
复制（ RDRP ）
? DNA是由四种脱氧核糖核酸所组成的长链大
分子, 是遗传信息的携带者 。
? 生物体的遗传信息就贮存在 DNA的四种脱氧
核糖核酸的排列顺序中 。
复制 (replication)
是指遗传物质的传代，以亲代（母链）
DNA为模板合成子链 DNA的过程。
复制
亲代 DNA
子代 DNA
一,DNA复制的基本规律
（一般原理）
Basic Rules of DNA Replication
?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)
（一） DNA复制是半保留复制 (semi-conservative
replication)
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
?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（散布式）
?DNA以半保留方式进行复制, 是在 1958年由 M,Meselson
和 F,Stahl 所完成的密度飘移实验所证明 。 该实验首先
将大肠杆菌在含 15N的培养基中培养约十五代, 使其 DNA中
的碱基氮均转变为 15N。 将大肠杆菌移至只含 14N的培养基
中同步培养一代, 二代, 三代 。 分别提取 DNA,作密度梯
度离心, 可得到下列结果,
?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
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 。
原核生物复制时,DNA从原点 (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） DNA复制是固定起点的双向复制
复制中的放射自显影图象
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
真核生物每个染色体有多个复制原点，
是多复制子的复制。
习惯上把两个相邻复制原点之间的距
离定为一个 复制子 (replicon) 。复制子是
能够独立完成复制的功能单位。
5’
3’
ori ori ori ori
5’
3’
5’
5’ 3’
3’
5’
5’ 3’
复制子
3’
（三） DNA复制是半不连续复制
3?
5?
3?
5?
解链方向
领头链
(leading strand)
随从链
(lagging strand)
? 顺着解链方向生成的子链, 复制是连续进行的, 这
股链称为 先导链 或 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
后链或 随从链 。 复制中的不连续片段 （ 约 1000个核
苷酸 ） 称为 岡崎片段 (okazaki fragment,1968)。
? 先导链连续复制而随后链不连续复制, 称为半不连
续复制或复制的 半不连续性 。
? 由于亲代 DNA双链在复制
时是逐步解开的, 因此,
随从链的合成也是一段一
段的 。 DNA在复制时, 由
随从链所形成的一些子代
DNA短链称为 冈崎片段
(Okazaki fragment)。
? 冈崎片段的大小, 在原核
生物中约为 1000～ 2000个
核苷酸, 而在真核生物中
约为 100个核苷酸 。
（四）需要引物
? 参与 DNA复制的 DNA聚合酶, 必须以一段
具有 3’端自由羟基 （ 3’-OH） 的 RNA作为 引
物 (primer), 才能开始聚合子代 DNA链 。
? RNA引物的大小, 在原核生物中通常为
50～ 100个核苷酸, 而在真核生物中约为
10个核苷酸 。 RNA引物的碱基顺序, 与其
模板 DNA的碱基顺序相配对 。
二,DNA复制的酶学
（ DNA复制相关的酶和蛋白质）
The Enzymology of DNA Replication
?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 DDDP或 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
?聚合反应的特点
DNA 新链生成需 引物 和 模板
DNA复制是模板依赖性的，必须要以亲代 DNA链
作为模板。亲代 DNA的两股链解开后，可分别作
为模板进行复制。
新链的延长只可沿 5? → 3?方向进行（模板方向为 3 ? → 5 ?,
合成方向为 5? → 3? 。）
（二） DNA聚合酶
全称,DNA依赖的 DNA聚合酶 (DNA-
dependent DNA polymerase)
简称,DNA-pol
活性,1,5??3? 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片段和 RNA引物。
能辨认错配的碱基对，并将其水解。
? 核酸外切酶活性
目 录
1、原核生物的 DNA聚合酶
DNA-pol Ⅰ
DNA-pol Ⅱ
DNA-pol Ⅲ
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
20 40 400 分子数 /细胞
10 1 1 亚基数
+ - + 5?? ??外切酶活性
+ + + ??? 5?外切酶活性
+ + + 5?? ??聚合酶活性
pol III pol II pol I
E,Coli中的 DNA聚合酶
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 )
D NA - p ol IIID NA - p ol IID NA - p ol I
可能不可能可能基因突变后的致死性
无无有→ 核酸外切酶活性
？分子数 细胞
多亚基不对称
二聚体
？单肽链组成
分子量
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）
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。
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。
功能,是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶 。
DNA-pol Ⅲ,由十种亚基组成，其中 α 亚基具有
5'→3' 聚合 DNA的酶活性，因而具有复制 DNA的功能；而
ε 亚基具有 3'→5' 外切酶的活性，因而与 DNA复制的校
正功能有关。 (250kD)
2、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 ?
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→
）
?在真核生物中，目前发现的 DNA聚合酶有五种，
分别命名为 DNA聚合酶 α （ pol α ）,DNA聚合
酶 β （ pol β ）,DNA聚合酶 γ （ pol γ ），
DNA聚合酶 δ （ pol δ ）,DNA聚合酶 ε （ pol
ε ）。
?其中，参与染色体 DNA复制的是 pol α （延长
随从链）和 pol δ （延长领头链），参与线粒
体 DNA复制的是 pol γ, polε 与 DNA损伤修复、
校读和填补缺口有关,pol β 只在其他聚合酶
无活性时才发挥作用。
（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,
?DNA-pol的核酸外切酶活性和及时校读
?复制的保真性和碱基选择
1,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。
2、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 。
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
（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。
1、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
SS B
催化 RNA 引物生成引物酶Dna G ( dn aG )
运送和协同 Dna BDna C ( dn aC )
解开 DNA 双链解螺旋酶Dna B ( dn aB )
辨认起始点Dna A ( dn aA )
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
? 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
单链 DNA结合蛋白
? 单链 DNA结合蛋白 （ single strand binding
protein,SSB） 又称螺旋反稳蛋白 （ HDP） 。
这是一些能够与单链 DNA结合的蛋白质因子 。
其作用为,① 使解开双螺旋后的 DNA单链能够
稳定存在, 即稳定单链 DNA,便于以其为模板
复制子代 DNA； ② 保护单链 DNA,避免核酸酶
的降解 。
?解螺旋酶
（ unwinding
enzyme）,又称
解链酶或 rep蛋白，
是用于解开 DNA双
链的酶蛋白，每解
开一对碱基，需消
耗两分子 ATP。目
前发现存在至少存
在两种解螺旋酶。
?引发体 (primosome)由引发前体与引物酶
（ primase）组装而成。
?引物酶本质上是一种依赖 DNA的 RNA聚合酶
（ DDRP），该酶以 DNA为模板，聚合一段 RNA短链引
物 (primer)，以提供自由的 3'-OH，使子代 DNA链能
够开始聚合。
10
8
局部解链后
2,DNA拓扑异构酶 (DNA topoisomerase)
解链过程中正超螺旋的形成
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
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
（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’
? DNA连接酶催化的条
件是,① 需一段 DNA
片段具有 3'-OH,而
另一段 DNA片段具有
5'-Pi基； ② 未封闭
的缺口位于双链 DNA
中, 即其中有一条链
是完整的； ③ 需要
消耗能量, 在 原核生
物中由 NAD+供能, 在
真核生物中由 ATP供
能 。
? 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
三,DNA生物合成过程
The Process of DNA Replication
1、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
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?
a,DNA解链
Dna A
Dna B,Dna C
DNA拓扑异构酶 SSB
3?
5?
3?
5?
b,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。
3?
5?
3?
5?
引物是由引物酶催化合成的短链 RNA分子。
引物
复制的起始
DNA复制的起始阶段, 由下列两步构成 。
预引发,
1,解旋解链, 形成复制叉,
? 由拓扑异构酶和解链酶作用, 使 DNA的超螺旋及
双螺旋结构解开, 碱基间氢键断裂, 形成两条单
链 DNA。 单链 DNA结合蛋白 （ SSB） 结合在两条单
链 DNA上, 形成复制叉 。
? DNA复制时, 局部双螺旋解开形成两条单链, 这
种叉状结构称为 复制叉 。
2,引发体组装,
? 由蛋白因子 （ 如 dnaB等 ） 识别复制起始
点, 并与其他蛋白因子以及引物酶一起
组装形成引发体 。
引发,
? 在引物酶的催化下，以 DNA为模板，合成
一段短的 RNA片段，从而获得 3'端自由羟
基（ 3'-OH）。
2、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 。
聚合子代 DNA,
? 由 DNA聚合酶催化，以 3'→5' 方向的亲代 DNA链
为模板，从 5'→3' 方向聚合子代 DNA链。在原
核生物中，参与 DNA复制延长的是 DNA聚合酶 Ⅲ ；
而在真核生物中，是 DNA聚合酶 α (延长随从链 )
和 δ （延长领头链） 。
引发体移动,
? 引发体向前移动，解开新的局部双螺旋，
形成新的复制叉，随从链重新合成 RNA引
物，继续进行链的延长。
5' 3'
5'
dATP
dGTP dTTP
dCTP
dTTP
dGTP dATP dCTP
OH 3' 3' DNA-pol
领头链的合成
随从链的合成
阶段一 阶段二
阶段三 阶段四
复
制
过
程
简
图
? 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
3、复制的终止
5?
5?
5?
RNA酶
OH P 5?
DNA-pol Ⅰ dNTP
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
去除引物, 填补缺口,
? 在原核生物中，由 DNA聚合酶 Ⅰ 来水解去
除 RNA引物，并由该酶催化延长引物缺口
处的 DNA，直到剩下最后一个磷酸酯键的
缺口。而在真核生物中,RNA引物的去除，
由一种特殊的核酸酶来水解，而冈崎片
段仍由 DNA聚合酶来延长。
连接冈崎片段,
? 在 DNA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 DNA长链。
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 。
? 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)。
1、复制的起始
3?
5?
5?
3?
领头链
3?
5?
3?
5?
亲代 DNA
随从链
引物
核小体
2、复制的延长
? 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。
3、复制的终止
5?
3?
3?
5?
5?
3?
3?
5?
+
5?
3?
3?
3?
3?
5?
5?
切除引物的两种机制
? 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…
?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
DNA聚合酶复制子链
进一步加工
四、逆转录和其他复制方式
Reverse Transcription and Other DNA
Replication Ways
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
反转录 （ reverse transcription）,以 RNA为模板, 合
成 DNA。 与通常转录过程中遗传信息流从 DNA到 RNA
的方向相反 。
1970年, Temin 和 Baltimore分别从致癌 RNA病毒 （ 劳
氏肉瘤病毒和鼠白血病病毒 ） 中发现发反转录酶 。
致癌 RNA病毒是一大类能引起鸟类, 哺乳类等动物白血
病, 肉瘤以及其它肿瘤的病毒 。 这类病毒侵染细胞
后并不引起细胞死亡, 却可以使细胞发生恶性转化 。
经过改造后可以作为基因治疗的载体 。
放线菌素 D（ 抑制以 DNA为模板的反应, 复制和转录 ）
能抑制致癌 RNA病毒的复制, 可见致癌 RNA病毒的复
制过程必然涉及 DNA。
Bader 用嘌呤霉素 （ puromycin） 来抑制静止细胞蛋白
质的合成, 发现这种细胞仍能感染劳氏肉瘤病毒
（ RSV）, 证实反转录酶是由反转录病毒带入细胞的,
而不是感染后在宿主细胞中新合成的 。
反转录酶
由一个 α亚基和一个 β亚基组成, 含有 Zn2+,具有三种酶活力 。
（ 1） RNA指导的 DNA聚合酶活力 （ 以 RNA为模板, 合成一条互
补的 DNA,形成 RNA— DNA杂种分子 ） 。
（ 2） RNase H酶活力, 水解 RNA— DNA杂种分子中的 RNA,可
沿 3’→ 5’和 5’→ 3’两个方向起外切酶作用 。
（ 3） DNA指导的 DNA聚合酶活力 。
模板,RNA或 DNA
以自身病毒类型的 RNA为模板时, 该酶的反转录活力最大, 但是
带有适当引物的任何种类的 RNA都能作为合成 DNA的模板 。
引物,RNA或 DNA
底物,dNTP
二价阳离子,Mg2+或 Mn2+
真核 mRNA3’端有 polyA,加入 oligo dT后, 可以作为反转录酶的
模板, 合成 cDNA。
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
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?
（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。
? 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?-OH 5?-P
5?
5?
5?
3?
3?
3?
3?
5'
滚环复制
5'
??
5? 3? 3? 5?
dNTP
DNA-pol γ
? D环复制 (D-loop replication)
是线粒体 DNA (mitochondrial DNA,mtDNA)
的复制形式。
五,DNA损伤（突变）与修复
DNA Damage (Mutation) and Repair
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)。
一些物理化学因子如紫外线, 电离辐射
和化学诱变剂均可引起 DNA损伤, 破坏其结
构与功能 。 然而在一定条件下, 生物机体能
使这种损伤得到修复 。
从分子水平来看，突变就是 DNA分子上
碱基的改变。
（一）突变的意义
1、突变是进化、分化的分子基础
2、突变导致基因型改变
3、突变导致死亡
4、突变是某些疾病的发病基础
（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,Nitromin s
G ?
m
G DN A 缺失 G
（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)
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
1、错配
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
2、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 。
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
3、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
（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
1、光修复
光修复酶
(photolyase)
UV
UvrA UvrB
UvrC
OH P
DNA聚合酶 Ⅰ
OH P
2、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。包括切－补－切
－封四个步骤。
DNA连接酶 ATP
E.coli的切除
修复机制
3、重组修复
切除修复发生在 DNA复制之前, 而当 DNA发动复
制时尚未修复的损伤部位, 可以先复制, 再重
组修复 。
在重组修复过程中, DNA链的损伤并未除去 。
重组修复至少需要 4种酶组分 。
重组基因 recA编码一种分子量为 40000的蛋白质,
它具有交换 DNA链的活力 。 RecA蛋白被认为
在 DNA重组和重组修复中均起关键作用 。
recB,recC基因分别编码核酸外切酶 V的两个亚
基 。
此外, 修复合成还需要 DNA聚合酶和连接酶 。
4,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 。
诱导修复和应急反应 （ SOS反应 ）
诱导修复是细胞 DNA受到严重损伤或 DNA复制系统受到
抑制的紧急情况下, 为求得生存而出现的一系列诱
导性修复 。
SOS反应诱导的修复系统包括避免差错的修复 （ 无差错
修复 ） 和倾向差错的修复 。
避免差错的修复,SOS反应能诱导光复活切除修复和重
组修复中某些关键酶和蛋白质的产生, 从而加强光
复活切除修复和重组修复的能力, 这属于避免差错
的修复 。
倾向差错的修复,SOS反应还能诱导产生缺乏校对功能
的 DNA聚合酶, 它能在 DNA损伤部位进行复制而避免
了死亡, 可是却带来了高的突变率, 这属于倾向差
错的修复 。
第二部分 RNA的生物合成
本章重点与难点
重点：掌握 RNA生物合成方式、酶类及合
成后加工,RNA合成后加工的意义,RNA合
成的起始与终止,RNA的复制、核酶。
难点,RNA合成的起始与终止；真核生物
RNA转录后加工；核酶。
一、转录 (transcription)
生物体以 DNA为模板合成 RNA的过程 。
转
录
RNA DNA
复制和转录的区别
A - U, T - A, G - CA - T, G - C配对
mRNA, tRNA, r RNA子代双链 DNA
（ 半保留复制）
产物
RNA 聚合酶（ RNA - pol ）DNA 聚合酶酶
NT PdN TP原料
模板链转录（不对称转录）两股链均复制模板
转录复制
，,，
，,
（
）酶
参与转录的物质
原料, NTP (ATP,UTP,GTP,CTP)
模板, DNA
酶, RNA聚合酶 (RNA polymerase,RNA-pol)
其他蛋白质因子
（一）转录模板
? DNA上为一种或几种蛋白质的全部氨基酸编码的
核苷酸顺序称为 基因 。
? DNA分子上编码蛋白质的基因片段, 称为 结构基
因 (structural gene)。
? DNA上有重复基因, 重叠基因和不连续基因 。
? DNA上插入而不编码的序列称为内含子
? 被间隔的编码蛋白质的基因部分称为外显子 。
5′···GCAGTACATGTC ···3′
3′··· c g t g a t g t a c a g ···5′
5′···GCAGUACAUGUC ···3′
N····Ala · Val · His · Val ····C
编码链
模板链
mRNA
蛋白质
转录
翻译
DNA双链中按碱基配对规律能指导转录生成
RNA的一股单链，称为 模板链 (template strand)，也
称作 有意义链 或 Watson链 。相对的另一股单链是 编
码链 (coding strand)，也称为 反义链 或 Crick链 。
5?
3?
3?
5?
模板链 编码链
编码链 模板链
结构基因
转录方向
转录方向
不对称转录 (asymmetric transcription)
? 在 DNA分子双链上某一区段，一股链用作
模板指引转录，另一股链不转录 ；
? 模板链并非永远在同一条单链上。
（二 )RNA聚合酶
1、原核生物的 RNA聚合酶
? 3 65 12 决定哪些基因被转录
? 15 0 6 18 催化功能
?? 15 5 6 13 结合 D NA 模板
? 7 02 63 辨认起始点
亚 基 分 子 量 功 能
核心酶 (core enzyme)
全酶 (holoenzyme)
??
?
? ?
?
??
?
? ?
RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合
2、真核生物的 RNA聚合酶
种类 Ⅰ Ⅱ Ⅲ
对鹅膏蕈碱
的反应
45S - r R N A hn RN A 5S - r R N A
tR NA
sn R NA
耐受 极敏感 中度敏感
转录产物
（三）模板上酶的辨认、结合
原核生物一个转录区段可视为一个转录单
位, 称为 操纵子 (operon),包括若干个 结构基因
及其上游 (upstream)的 调控序列 。
5?
3?
3?
5?
结构基因 调控序列
RNA-pol
RNA聚合酶结合模板 DNA的部位，称为 启
动子 (promoter)。
开始转录
T T G A C A
A A C T G T
-35 区
(Pribnow box)
T A T A A T Pu
A T A T T A Py
-10 区
1 -30 -50 10 -10 -40 -20
5 ?
3 ?
3 ?
5 ?
原核生物启动子保守序列
RNA-pol辨认位点
(recognition site)
5?
5?
RNA聚合酶保护区 结构基因
3?
3?
TATA盒
CAAT盒
GC盒
增强子
顺式作用元件
结构基因
-GCGC---CAAT---TATA
转录起始
真核生物启动子保守序列
1）转录起始
转录起始需解决两个问题,
1,RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的
起始区域。
2,DNA双链解开，使其中的一条链作为转录
的模板。
（四）原核生物的转录过程
2,DNA双链解开
1,RNA聚合酶全酶 (?2????)与模板结合
3,在 RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，
形成转录起始复合物
RNApol (?2????) - DNA - pppGpN- OH 3?
转录起始复合物,
5?-pppG -OH + NTP ? 5?-pppGpN - OH 3? + ppi
转录起始过程
2）转录延长
1,?亚基脱落,RNA–pol聚合酶核心酶变构，
与模板结合松弛，沿着 DNA模板前移；
2,在 核心酶 作用下,NTP不断聚合,RNA链
不断延长。
(NMP) n + NTP ?? (NMP) n+1 + PPi
转录空泡 (transcription bubble),
RNA-pol （核心酶） ·· DNA ·· RNA
5?
3?
DNA
原核生物转录过程中的羽毛状现象
核糖体
RNA
RNA聚合酶
? 依赖 Rho (ρ)因子的转录终止
? 非依赖 Rho因子的转录终止
3）转录终止
指 RNA聚合酶在 DNA模板上停顿下来不
再前进, 转录产物 RNA链从转录复合物上脱
落下来 。
分类
A T P
1,依赖 Rho因子的转录终止
2,非依赖 Rho因子的转录终止
DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱
基序列，转录出 RNA后,RNA产物形成特殊
的结构来终止转录。
5`UUGCAGCCUGACAAAUCAGGCUGAUGGCUGGUGACUUUUUAGUCACCAGCCUUUUU..,3` `
RNA
5?TTGCAGCCTGACAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT..,3?
DNA
UUUU...…
UUUU...…
茎环 (stem-loop)/发夹 (hairpin)结构
茎环结构使转录终止的机理
? 使 RNA聚合酶变构，转录停顿；
? 使转录复合物趋于解离,RNA产物释放。
5′pppG
5?
3?
3?
5?
RNA-pol
（五）真核生物的转录起始
1）转录起始
真核生物的转录起始上游区段比原核生物
多样化, 转录起始时, RNA-pol不直接结合模
板, 其起始过程比原核生物复杂 。
转录起始点
TATA盒
CAAT盒
GC盒
增强子
顺式作用元件 (cis-acting element)
1,转录起始前的上游区段
AATAAA
切离加尾
转录终止点
修饰点
外显子 翻译起始点
内
含
子
OCT-1
OCT-1,ATTTGCAT八聚体
2,转录因子
能直接、间接辨认和结合转录上游区段
DNA的蛋白质，现已发现数百种，统称为 反
式作用因子 (trans-acting factors)。
反式作用因子中，直接或间接结合 RNA
聚合酶的，则称为 转录因子 (transcriptional
factors,TF)。
参与 RNA-polⅡ 转录的 TFⅡ
蛋白激酶活性，使 CT D 磷
酸化
TF Ⅱ H
AT P ase57 （ ? ） 34 （ ? ）TF Ⅱ E
解螺旋酶30, 74TF Ⅱ F
促进 RNA - po l Ⅱ 结合及作
为其他因子结合的桥梁
33TF Ⅱ B
稳定 TF Ⅱ D - DNA 复合物12, 19, 35TF Ⅱ A
辅助 TBP - DNA 结合TA F **
结合 TA TA 盒TB P * 3 8TF Ⅱ D
功 能亚基组成，分子量 ( kD )转录因子
蛋白激酶活性，使 磷
酸化
Ⅱ
（ ） （ ）Ⅱ
解螺旋酶，Ⅱ
促进 Ⅱ 结合及作
为其他因子结合的桥梁
Ⅱ
稳定 Ⅱ 复合物，,Ⅱ
辅助 结合
结合 盒Ⅱ
功 能
3,转录起始前复合物
(pre-initiation complex,PIC)
真核生物 RNA-pol不与 DNA分子直接结
合，而需依靠众多的转录因子。
POL-Ⅱ TFⅡ F
Ⅱ A
Ⅱ B
由 RNA-Pol Ⅱ 催化转录的 PIC
POL-Ⅱ
TFⅡ F Ⅱ H Ⅱ E
TBP TAF
TFⅡ D-Ⅱ A-Ⅱ B-DNA复合物
TATA
Ⅱ A
Ⅱ B TBP
TAF
TATA
Ⅱ H Ⅱ E
CTD- P
PIC组装完成,TFⅡ H使 CTD磷酸化
2）转录延长
真核生物转录延长过程与原核生物大致相
似，但因有核膜相隔，没有转录与翻译同步的
现象。
RNA-pol前移处处都遇上核小体。
转录延长过程中可以观察到核小体移位和
解聚现象。
RNA-Pol
RNA-Pol
RNA-Pol
核小体 转
录
延
长
中
的
核
小
体
移
位
转录方向
核酸酶
RNA-pol AATAAA GTGTGTG
转录终止的修饰点
5?
5?
3?
3?
3?加尾
AAAAAAA···· 3? mRNA
3）转录终止
—— 和转录后修饰密切相关。
几种主要的修饰方式
1,剪接 (splicing) 2,剪切 (cleavage)
3,修饰 (modification) 4,添加 (addition)
二,RNA转录后的修饰
Post-transcriptional Modification
（一）真核生物 mRNA的转录后加工
1、首、尾的修饰
? 5?端形成 帽子结构 (m7GpppGp —)
? 3?端加上 多聚腺苷酸尾巴 (poly A tail)
帽子结构
5? pppGp…
5? GpppGp…
pppG
ppi
鸟苷酸
转移酶
5? m7GpppGp…
甲基转移酶 SAM
帽
子
结
构
的
生
成
5? ppGp… 磷酸酶
Pi
2） mRNA的剪接
1,hnRNA 和 snRNA
? 核内的初级 mRNA称为 杂化核 RNA (hetero-
nuclear RNA,hnRNA)
? snRNA (small nuclear RNA)
核内的蛋白质
小分子核糖核酸蛋白体
（并接体,splicesome）
snRNA
真核生物结构基因，由若干个编码区和非
编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非
编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成
的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。
断裂基因 (splite gene)
C A B D
编码区 A,B,C,D 非编码区
2,外显子 (exon)和内含子 (intron)
? 外显子
在断裂基因及其初级转录产物上出现，
并表达为成熟 RNA的核酸序列。
? 内含子
隔断基因的线性表达而在剪接过程中被
除去的核酸序列。
鸡卵清蛋白
基因
hnRNA
首、尾修饰
hnRNA剪接
成熟的 mRNA
鸡
卵
清
蛋
白
基
因
及
其
转
录、
转
录
后
修
饰
鸡卵清蛋白成熟 mRNA与 DNA杂交电镜图
DNA
mRNA
3,内含子的分类
根据基因的类型和剪接的方式，通常把内含
子分为 4类。
I,主要存在于线粒体, 叶绿体及某些低等真
核生物的 rRNA基因；
II,也发现于线粒体, 叶绿体, 转录产物是
mRNA；
III,是常见的形成套索结构后剪接, 大多数
mRNA基因有此类内含子；
IV,是 tRNA基因及其初级转录产物中的内
含子, 剪接过程需酶及 ATP。
4,mRNA的剪接
—— 除去 hnRNA中的内含子，将外显子连接。
?snRNP与 hnRNA结合成为并接体
①
②
③
UACUACA - AG
UG
U4
U5
U6
E1
E2
U1 U2
UACUACA - AG
UG U6
E1
E2
U1,U4,U5
pG-OH
(ppG-OH,pppG-OH)
U-OH
GpU pGpA
第一次转酯反应
第二次转酯反应
UpA GpU
外显子 1 内含子 外显子 2
G-OH
UpU
pGpA
? RNA编辑作用说明，基因的编码序列经过转录
后加工，是可有多用途分化的，因此也称为分
化加工 (differential RNA processing)。
5,mRNA的编辑 (mRNA editing)
人类 apo B基因
mRNA（ 14500个核苷酸）
肝脏
apo B100
（分子量为 500 000）
肠道细胞
apo B48
（分子量为 240 000）
mRNA编辑
（二） tRNA的转录后加工
tRNA前体
RNA pol Ⅲ
TGGCNNAGTGC GGTTCGANNCC
DNA
RNAaseP、
内切酶
tRNA核苷酸转移酶、
连接酶
ATP
ADP
碱基修饰
（ 2）还原反应
如,U ? DHU
（ 3）核苷内的转位反应
如,U ? ψ
（ 4）脱氨反应
如,A ? I
如,A ? Am
（ 1）甲基化
（ 1）
（ 1）
（ 3）
（ 2）
（ 4）
（三） rRNA的转录后加工
转录
45S - rRNA
剪接
18S - rRNA 5.8S和 28S-rRNA
rDNA
内含子 内含子 28S 5.8S 18S
三、真核生物与原核生物转录的异同点
P212－ 213
相同点,
不同点：四点
四、核 酶
具有酶促活性的 RNA称为核酶。
核酶 (ribozyme)
四膜虫 rRNA内含子的二级结构
四膜虫 rRNA的剪接采用 自我剪接 方式
5′-端核苷酸序列
? 最简单的核酶二级结构 ——槌头状结构
(hammerhead structure)
底物部分
? 通常为 60个核苷酸左右
? 同一分子上包括有催化
部份和底物部份
? 催化部份和底物部份组
成锤头结构
? 除 rRNA外,tRNA,mRNA的加工也可采用
自我剪接方式。
G
OH
3′
G
5′
OH
5′
3′
G
OH
414
G
399
5′
3′
395
5′
3′
E1
E2
I
四膜虫 RNA
的自我剪接
5′
3′
L19
RNA
具有催化活
性的片段
?核酶研究的意义
? 核酶的发现，对中心法则作了重要补充；
? 核酶的发现是对传统酶学的挑战；
? 利用核酶的结构设计合成人工核酶 。
人工设计的核酶
? 粗线表示合成的核酸分子
? 细线表示天然的核酸分子
? X 表示一致性序列
? 箭头表示切断点
