第四章 遗传信息的复制
? 本章主要内容,
1,DNA复制的基本特点
? 2,原核生物 DNA复制的特点
? 3.真核生物 DNA复制的特点
4,DNA损伤与修复
? 5.逆转录
? 6.RNA的复制
转录
逆转录
翻译 DNA RNA Protein
遗传中心法则 （ the central dogma)
遗传信息从 DNA到蛋白质的传递规律
复制
1958 F.Crick 遗传中心法则
1970 H.Temin 逆转录
第一节 DNA的复制
复制
DNA的生物合成
逆转录
DNA复制（ DNA replication）,
以亲代 DNA为模板合成两个相
同的子代 DNA的过程。
一,DNA复制的基本特点
1.复制从特定的区域（ oriC）开始
2.复制的方向多样化
3.半保留复制（ self-conservative replication）
4.半不连续复制
5.复制的过程复杂
1.复制从特定的区域（ oriC）开始
几个相关概念,
? 复制子,基因组中能单独进行复制的单位。
每个起始点到终止点的区域为一个复制子。
? 起始点（ origin of replication,ori):原核生物
DNA分子中只有一个，长度 200bp左右。真
核生物有多个复制起始点。
? 终止点（ ter）,D,A,C,B（ 23bp共有序
列） Tus（ terminator utilization substance）
识别终止序列。
? 复制的方向：单向或双向
复制叉 (replication fork)
复制时双链打开，分开成两股，新链沿
着张开的模板生成，复制中形成的这种 Y
字形的结构称为 复制叉 。
3 '
5 '
5 '
3 '
5 '
3 '
5 '
3 '
复 制 方 向解链方向
2.复制的方向多样化
单向复制
双向复制
起点
起点
起点
原核生物 DNA 的双向 复制
3.半保留复制
? 1958年,Meselson 和 Stahl首次用实验证
实了 DNA的半保留复制。
? 步骤,
? 用普通培养基（ 14N）培养 15N标记的大
肠杆菌，用 CsCl密度梯度离心法分析
DNA。
含 N - D N A 的 细 菌1 5
第 一 代
第 二 代
培 养 于 普
通 培 养 液
继 续 培 养
N15-DNA
中等密度
DNA
中等密度
DNA
N14-DNA
半保留复制 (semiconservative replication)
复制时，亲代的双链 DNA解开成两
条单链，然后各自作为模板指导合成新
的互补链。所形成的两个子代 DNA分子
与亲代 DNA分子碱基顺序完全相同 （复
制） 。每个子代 DNA分子中的一条链来
自亲代，另一条链为新合成的 （半保
留）,称半保留复制。
T
C
G
A
A
G
C
T
A T
G C
C G
T A
亲 代 D N A
A
G
C
T
T
C
G
A
子 代 D N A
半保留复制的意义
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,是物种稳定的 分子基础 。
4,半不连续复制
半不连续复制, DNA复制时一条链为连续合成，另
一条链为不连续的片断合成称 半不连续复制 。
前导链（领头链） (leading strand)
顺着解链方向生成的子链，其复制是连续进行的，
得到一条连续的子链。
5 '
3 '
3 '
5 '
5 '
解 链 方 向
3 '
随从链 (lagging strand)
复制方向与解链方向相反，须等解开
足够长度的模板链才能继续复制，得到
的子链由不连续的片段所组成。
5 '
3 '
3 '
5 '
5 '
解 链 方 向
3 '
3 '5 '5 ' 3 '
复制的基本过程,
① DNA双链解开
② RNA引物的合成
③ DNA链的延长
④ 切除引物、填补缺口、连接 DNA片段
⑤ 切除和修复错配碱基
二、原核生物染色体 DNA的复制
（一）参与 DNA复制的酶与蛋白质
1.DNA聚合酶（ DNA pol） 催化 dNTP聚
合到核酸链上的酶。
DNA polⅠ, DNA pol Ⅱ, DNA polⅢ
DNA polⅠ
1958年 Kornberg首先从大肠杆菌提取。
DNA polⅠ 是单一肽链的大分子,分子量为 109kD,
二级结构以 α-螺旋为主。
用特异的蛋白酶处理，可把 DNA polⅠ 水解为两
个片段，即在 F,G螺旋之间发生断裂。
小片段,323个氨基酸残基,5` → 3` 外切酶活性
大片段或称 Klenow片段,604个氨基酸残基,具
有 DNA聚合酶活性和 3` → 5` 外切酶活性
① 聚合作用,5` → 3`
② 3` → 5` 外切酶活性：校对功能
③ 5` → 3` 外切酶活性：引物切除、损伤修复
? 在大肠杆菌中的主要功能是切除引物，填补冈崎片
段产生的空隙及 DNA损伤的修复
? DNA pol Ⅱ,
功能,5` → 3` 聚合酶活性及 3` → 5` 外切核酸酶
活性。
? DNA polⅢ, 由 10 个亚基组成，分别为 α,ε、
θ,τ,δ,δ`,β,κ及 ψ。 是原核生物体内真正
起复制作用的酶。
α亚基,5` → 3` 聚合酶活性
ε亚基,3` → 5` 外切酶,校对和编辑
θ为装配必须
大肠杆菌 DNA聚合酶 Ⅲ
? ?
E.coli DNA 聚合酶 Ⅲ 不对称二聚体
?
? ?
? ?
ε
? ?
?' ?'
?' ?'
? ? ?
? ?
? ?
ε
原核生物的 DNA聚合酶种类
pol-I pol-II pol-III
5′→3 ′聚合酶活性 + + +
3′→5 ′外切酶活性 + + +
5′→3 ′外切酶活性 + – +
功 能
切除引物
填补空隙
修复合成
不清 复制的主要酶
真核生物的 DNA聚合酶
已发现 5种,都有 5`→ 3` 核酸外切酶活性。
DNA-pol ? 复制中延长随从链
DNA-pol ? 没有其他 pol时才起作用
DNA-pol ? 催化线粒体 DNA的复制
DNA-pol ? 复制中延长领头链
DNA-pol ? 校读、修复和填补缺口
2.引物酶
依赖 DNA的 RNA聚合酶。催化 RNA引物
的合成。
RNA引物：在 DNA模板的复制起始部位由
引物酶催化 NTP的聚合，形成短片段的
RNA，为 DNA 聚合提供 3′-OH末端。
3.DNA解链酶 (helicase)
模板对复制的指导作用在于碱基的准确
配对，而碱基却埋在双螺旋的内部。只有
把 DNA解开成单链，它才能起模板作用。
解 链酶 是最早发现的与复制有关的蛋
白质，当时称为 rep蛋白。作用是利用 ATP
供能，解开 DNA双链。
4,DNA拓扑异构酶 (topoisomerase),
拓扑,是指物体或图像作弹性移位而又保
持物体不变的性质。
拓扑异构酶,是一类可改变 DNA拓扑性质
的酶。对 DNA分子的作用是既能水解、又
能连接磷酸二酯键。 可松弛 DNA超螺旋,
有利于 DNA解链。
拓扑异构酶 I（ topo I）,
? 在原核生物曾被称为 ?－蛋白。
? 主要作用是切开 DNA双链中的一股，使
DNA解链旋转中不打结,DNA变为松弛
状态再封闭切口。
拓扑异构酶 II（ topo II）,
? 在原核生物又叫旋转酶 (gyrase)。
? 能切断 DNA双链，使螺旋松弛。在 ATP参
与下，松弛的 DNA进入负超螺旋，再连接
断端。
5,单链 DNA结合蛋白 (SSB),
SSB曾被称为螺旋反稳定蛋白（ HDP）。
在大肠杆菌，它是由 177个氨基酸残基组成的
同四聚体，结合单链 DNA的跨度约 32个核苷
酸单位。
功能,SSB与解开的 DNA单链紧密结合，防止
重新形成双链，并免受核酸酶降解。 在复制
中维持模板处于单链状态。
解螺旋酶
helicase
DNA拓朴异构酶
DNA topoisomerase
单链 DNA结合蛋白
SSB
(single strand DNA
binding protein)
解开, 理顺 DNA链、维持 DNA单链 状态
6.DNA连接酶 （ DNA ligase）
连接 DNA链 3?-OH末端和相邻 DNA链 5?-P
末端，形成 磷酸二酯键,从而把两段相邻的
DNA链 连接成完整的链。反应需要 ATP。
催化两段 DNA之间的连接
3
5
5
3 5
35
3
HO P
D N A l ig a s e
NAD
A T P
N M N
A M P +P P i
′
′
′
′
′
′
′
′
+
P
O H
P5 5
3
3
+
5
3
′
′
′
′
′
′
DNA
l i g a s e
O
O H
PO
O
O -
O
O H
PO
O
O
PP
-
-
αβγ
P P i
DNA连接酶在 复制,DNA修复,
重组、剪接 中均起 缝合缺口 作用。
是重要的 工具酶 之一。
三种酶连接作用比较
DNA聚合酶 引物或延长中的新链
连接酶 复制中不连续的两条单链
拓扑酶 切断、整理后的两链
(二 )原核生物 DNA复制过程
1.复制的起始
2.DNA链的延长
3.复制的终止
1.复制的起始
DNA复制的起始就是要 解开双链 和 生成引
物 。
(一 )DNA解成单链
由 拓扑异构酶 松弛超螺旋,解链酶 解
开双链,SSB结合到单链上使其稳定。
复制起始的解
链需要多种
蛋白质参与。
这些蛋白质
与复制起始
点的特有序
列结合，促
使其邻近的
DNA解链。
? 复制过程中各酶和蛋白质因子的作用
拓扑异构酶
解链酶
单链结合蛋白
DNA 聚合酶
引物酶及引发体
DNA 连接酶
引物
领头链
随从链
冈崎片段
5
′
5
′
3 ′3 ′
(二 )引物合成
引发体引导引物酶到达适当的位置合成引物。
D n a A
D n a B
D n a C
D N A 拓 异 构 酶
5 '
3 '
3 '
5 '
引物 是由引物酶催化,以 DNA为模板,NTP为底
物合成的 短链 RNA分子,长度约为十几个到几十
个核苷酸不等。引物的合成方向也是 5′→3 ′
方向。 DNA的聚合就是在引物的 3′－ OH上进行
的。
2.DNA链的延长
延长的生化过程,
在 DNA聚合酶催化下，以解开的
单链为模板，以四种 dNTP为原料，进
行聚合作用。即新进入的 dNTP 与引物
3′－ OH形成磷酸二酯键，由 5′?3′方
向延长子链。
5 '
3 ' 5 'D N A - p o l I I I
dCTP
dTTP
dGTP
dATP
dTTP dCTP
dATP
dGTP
原核生物为 DNA pol Ⅲ
真核生物为 DNA 聚合酶 α 和 δ,其中
α 与随从链的合成有关,δ 与领头链的合
成有关
3.复制的终止
1,随从链不连续片段的连接
2,原核生物在复制终止点的汇合
3,真核生物端粒的合成
(一 )不连续片段的连接
3 '
5 '
5 '
3 '
R N A 酶
PO H
3 '
5 '
5 '
3 '
D N A 聚 合 酶
P
3 '
5 '
5 '
3 '
d N T P
D N A 连 接 酶
3 '
5 '
5 '
3 '
A T P
(二 )原核生物复制的终止
原核生物环状 DNA为双向复制,
复制片段在复制的终止点汇合。
(三 )真核生物复制的终止
染色体 DNA呈线性，复制在末端停止。
3 '
5 '
5 '
3 '
3 '
5 '
5 '
3 '
不 连 续 片 段 的 连 接
3 '
5 '
5 '
3 '
3 '
5 '
5 '
3 '
? 端粒 (telomere):真核生物线性染色体末端的
一种特殊结构，由简单重复富含 G,T的
DNA序列及端粒结合蛋白组成。
? 功能,
保证 DNA的完整复制；
保护染色体末端免于化学修饰或核酸酶降解；
解决染色体复制时末端丢失问题 (寿命长短 )。
? 端粒酶, 由 RNA和蛋白质组成的酶。兼
有模板和逆转录酶两方面的作用。
端粒与衰老
实验,
1.体外培养的细胞端粒的长度随细胞逐代相传
而缩短，丢失到一定程度后细胞随之发生衰
老和死亡。
2.在无端粒酶活性的成纤维细胞中表达端粒酶
时，端粒的缩短和细胞的衰老都受到抑制。
结论：细胞的衰老可能是由端粒驱动的。
? 端粒的平均长度随着细胞分裂次数的增
多及年龄的增长而变短，可导致核生物
染色体稳定性下降，并导致衰老。其分
子机制在于，线形 DNA分子不能从末端
核苷酸外合成 RNA引物，如此染色体将
逐代缩短。但是在生殖细胞、胚胎细胞
和肿瘤细胞中，由于有端粒酶，所以并
不出现这种情况。
? 不同个体的端粒初始长度也不同，但对每个个体来说，
它们则可随时间流逝而变短。研究人员最近还发现，患
有一种可加速衰老的遗传疾病的人具有异常短的端粒，
进一步表明端粒在衰老过程中所起的作用。
? 然而在正常情况下，比较长的端粒就意味着长寿吗？为
了弄清这一点，盐湖城犹他大学的遗传学家 Richard
Cawthon及其同事检查了 143名老年男女的端粒长度 (这
些人曾经在至少 15年前提供过血样 )。研究小组在, 柳叶
刀, 杂志上报告说，那些端粒短于平均长度的实验参与
者比那些端粒较长的参与者早死４到５年，而且死于心
脏病的几率比后者高３倍多。端粒最短的参与者（即最
短的那 25％）死于传染病的几率比那些端粒较长的人高
８倍多。
? 达拉斯市得克萨斯大学西南医学中心的分子生物学家
Jerry Shay表示，这是“关于端粒可能限制了人类寿命
的第一条线索”。但他也提醒说，需要进行更多的研究
（使用更多的参与者）以弄清其中的联系。 Cawthon指
出，例如，弄清端粒变短是否确实导致了疾病或仅仅是
其他过程的副作用，这点很重要。
第三节 逆转录
? 以 RNA为模板，按照 RNA的核苷酸顺序
合成 DNA，这一途径与一般遗传信息流
的方向相反，称逆转录。
一、逆转录酶 (reverse transcription)
? 1970年,Temin和 Baltimore发现了逆转录酶，
获 1975年诺贝尔生理学医学奖 。
? 逆转录酶的作用是以 dNTP为底物，以 RNA为
模板,tRNA(主要是色氨酸 tRNA)为引物，在
tRNA3′羟基末端上，按 5′→3′ 方向，合成一条
与 RNA模板互补的 DNA单链，这条 DNA单链
叫做互补 DNA(complementary DNA,cDNA)，
它与 RNA模板形成 RNA-cDNA杂交体。随后又
在反转录酶的作用下，水解掉 RNA链，再以
cDNA为模板合成第二条 DNA链。至此，完成
由 RNA指导的 DNA合成过程。
逆转录酶是一种多功能酶
① RNA指导的 DNA 聚合酶活性；以 RNA为模板，
催化 dNTP聚合成 DNA的过程。逆转录酶不具
有 3′→5′ 外切酶活性，因此没有校正功能，所
以由反转录酶催化合成的 DNA出错率比较高。
② RNase H活性；由逆转录酶催化合成的 cDNA
与模板 RNA形成的杂交分子，将由 RNase H从
RNA5′端水解掉 RNA分子。
③ DNA指导的 DNA聚合酶活性；以反转录合成
的第一条 DNA单链为模板，以 dNTP为底物，
再合成第二条 DNA分子。
逆转录病毒 的基因
组复制过程
? 第一阶段：合成负股 cDNA的大部分
? 第二阶段：以负股 DNA为模板合成一小
部分正股 DNA链。
? 第三阶段：完成 cDNA的全部复制。
乙肝病毒基因组 的复制
? 其复制需通过逆转录过程经 RNA中间体
实现,其 DNA聚合酶也是一种逆转录酶。
? 逆转录病毒,RNA → DNA → RNA
? 乙肝病毒,DNA→RNA → DNA
逆转录酶的应用
? 1.用于合成 cDNA，建立 cDNA 文库，获
得基因或探针。
方法：提取组织细胞的 mRNA，经逆转录
合成 cDNA，然后被克隆入质粒或噬菌体
载体，转化宿主细胞后获得克隆群体。
可代表某一特定基因。
? 2.与 PCR 连用 ------RT-PCR。
病毒 RNA复制的主要方式
? 1、病毒含有正链 RNA，如灰质炎病毒。 RNA
（ +） → 蛋白质（酶） → RNA复制
? 2、病毒含有负链 RNA和复制酶如狂犬病毒。
RNA（ —） → RNA（ +） → 蛋白质、复制病
毒 RNA。
? 3、病毒含有双链 RNA和复制酶。如呼肠孤。
双链 RNA → RNA （ +） → 蛋白质 → RNA（ —）
→ 双链 RNA
? 4、逆转录病毒。
小结
掌握：半保留复制，半不连续复制，领头
链，随从链，端粒，端粒酶，逆转录的
基本概念；及逆转录复制的过程 。
熟悉：原核生物 DNA复制的过程，以及复
制过程中涉及到的各种酶、蛋白因子；
逆转录酶的应用；
思考题
1.半保留复制与半不连续复制的区别。
2.DNA复制时前导链与随从链的合成有哪
些不同?
3.连接酶催化的连接反应与 DNA聚合酶
5′→3′ 聚合活性有何异同?
4.什么是逆转录，有什么生物学意义?
? 本章主要内容,
1,DNA复制的基本特点
? 2,原核生物 DNA复制的特点
? 3.真核生物 DNA复制的特点
4,DNA损伤与修复
? 5.逆转录
? 6.RNA的复制
转录
逆转录
翻译 DNA RNA Protein
遗传中心法则 （ the central dogma)
遗传信息从 DNA到蛋白质的传递规律
复制
1958 F.Crick 遗传中心法则
1970 H.Temin 逆转录
第一节 DNA的复制
复制
DNA的生物合成
逆转录
DNA复制（ DNA replication）,
以亲代 DNA为模板合成两个相
同的子代 DNA的过程。
一,DNA复制的基本特点
1.复制从特定的区域（ oriC）开始
2.复制的方向多样化
3.半保留复制（ self-conservative replication）
4.半不连续复制
5.复制的过程复杂
1.复制从特定的区域（ oriC）开始
几个相关概念,
? 复制子,基因组中能单独进行复制的单位。
每个起始点到终止点的区域为一个复制子。
? 起始点（ origin of replication,ori):原核生物
DNA分子中只有一个，长度 200bp左右。真
核生物有多个复制起始点。
? 终止点（ ter）,D,A,C,B（ 23bp共有序
列） Tus（ terminator utilization substance）
识别终止序列。
? 复制的方向：单向或双向
复制叉 (replication fork)
复制时双链打开，分开成两股，新链沿
着张开的模板生成，复制中形成的这种 Y
字形的结构称为 复制叉 。
3 '
5 '
5 '
3 '
5 '
3 '
5 '
3 '
复 制 方 向解链方向
2.复制的方向多样化
单向复制
双向复制
起点
起点
起点
原核生物 DNA 的双向 复制
3.半保留复制
? 1958年,Meselson 和 Stahl首次用实验证
实了 DNA的半保留复制。
? 步骤,
? 用普通培养基（ 14N）培养 15N标记的大
肠杆菌，用 CsCl密度梯度离心法分析
DNA。
含 N - D N A 的 细 菌1 5
第 一 代
第 二 代
培 养 于 普
通 培 养 液
继 续 培 养
N15-DNA
中等密度
DNA
中等密度
DNA
N14-DNA
半保留复制 (semiconservative replication)
复制时，亲代的双链 DNA解开成两
条单链，然后各自作为模板指导合成新
的互补链。所形成的两个子代 DNA分子
与亲代 DNA分子碱基顺序完全相同 （复
制） 。每个子代 DNA分子中的一条链来
自亲代，另一条链为新合成的 （半保
留）,称半保留复制。
T
C
G
A
A
G
C
T
A T
G C
C G
T A
亲 代 D N A
A
G
C
T
T
C
G
A
子 代 D N A
半保留复制的意义
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,是物种稳定的 分子基础 。
4,半不连续复制
半不连续复制, DNA复制时一条链为连续合成，另
一条链为不连续的片断合成称 半不连续复制 。
前导链（领头链） (leading strand)
顺着解链方向生成的子链，其复制是连续进行的，
得到一条连续的子链。
5 '
3 '
3 '
5 '
5 '
解 链 方 向
3 '
随从链 (lagging strand)
复制方向与解链方向相反，须等解开
足够长度的模板链才能继续复制，得到
的子链由不连续的片段所组成。
5 '
3 '
3 '
5 '
5 '
解 链 方 向
3 '
3 '5 '5 ' 3 '
复制的基本过程,
① DNA双链解开
② RNA引物的合成
③ DNA链的延长
④ 切除引物、填补缺口、连接 DNA片段
⑤ 切除和修复错配碱基
二、原核生物染色体 DNA的复制
（一）参与 DNA复制的酶与蛋白质
1.DNA聚合酶（ DNA pol） 催化 dNTP聚
合到核酸链上的酶。
DNA polⅠ, DNA pol Ⅱ, DNA polⅢ
DNA polⅠ
1958年 Kornberg首先从大肠杆菌提取。
DNA polⅠ 是单一肽链的大分子,分子量为 109kD,
二级结构以 α-螺旋为主。
用特异的蛋白酶处理，可把 DNA polⅠ 水解为两
个片段，即在 F,G螺旋之间发生断裂。
小片段,323个氨基酸残基,5` → 3` 外切酶活性
大片段或称 Klenow片段,604个氨基酸残基,具
有 DNA聚合酶活性和 3` → 5` 外切酶活性
① 聚合作用,5` → 3`
② 3` → 5` 外切酶活性：校对功能
③ 5` → 3` 外切酶活性：引物切除、损伤修复
? 在大肠杆菌中的主要功能是切除引物，填补冈崎片
段产生的空隙及 DNA损伤的修复
? DNA pol Ⅱ,
功能,5` → 3` 聚合酶活性及 3` → 5` 外切核酸酶
活性。
? DNA polⅢ, 由 10 个亚基组成，分别为 α,ε、
θ,τ,δ,δ`,β,κ及 ψ。 是原核生物体内真正
起复制作用的酶。
α亚基,5` → 3` 聚合酶活性
ε亚基,3` → 5` 外切酶,校对和编辑
θ为装配必须
大肠杆菌 DNA聚合酶 Ⅲ
? ?
E.coli DNA 聚合酶 Ⅲ 不对称二聚体
?
? ?
? ?
ε
? ?
?' ?'
?' ?'
? ? ?
? ?
? ?
ε
原核生物的 DNA聚合酶种类
pol-I pol-II pol-III
5′→3 ′聚合酶活性 + + +
3′→5 ′外切酶活性 + + +
5′→3 ′外切酶活性 + – +
功 能
切除引物
填补空隙
修复合成
不清 复制的主要酶
真核生物的 DNA聚合酶
已发现 5种,都有 5`→ 3` 核酸外切酶活性。
DNA-pol ? 复制中延长随从链
DNA-pol ? 没有其他 pol时才起作用
DNA-pol ? 催化线粒体 DNA的复制
DNA-pol ? 复制中延长领头链
DNA-pol ? 校读、修复和填补缺口
2.引物酶
依赖 DNA的 RNA聚合酶。催化 RNA引物
的合成。
RNA引物：在 DNA模板的复制起始部位由
引物酶催化 NTP的聚合，形成短片段的
RNA，为 DNA 聚合提供 3′-OH末端。
3.DNA解链酶 (helicase)
模板对复制的指导作用在于碱基的准确
配对，而碱基却埋在双螺旋的内部。只有
把 DNA解开成单链，它才能起模板作用。
解 链酶 是最早发现的与复制有关的蛋
白质，当时称为 rep蛋白。作用是利用 ATP
供能，解开 DNA双链。
4,DNA拓扑异构酶 (topoisomerase),
拓扑,是指物体或图像作弹性移位而又保
持物体不变的性质。
拓扑异构酶,是一类可改变 DNA拓扑性质
的酶。对 DNA分子的作用是既能水解、又
能连接磷酸二酯键。 可松弛 DNA超螺旋,
有利于 DNA解链。
拓扑异构酶 I（ topo I）,
? 在原核生物曾被称为 ?－蛋白。
? 主要作用是切开 DNA双链中的一股，使
DNA解链旋转中不打结,DNA变为松弛
状态再封闭切口。
拓扑异构酶 II（ topo II）,
? 在原核生物又叫旋转酶 (gyrase)。
? 能切断 DNA双链，使螺旋松弛。在 ATP参
与下，松弛的 DNA进入负超螺旋，再连接
断端。
5,单链 DNA结合蛋白 (SSB),
SSB曾被称为螺旋反稳定蛋白（ HDP）。
在大肠杆菌，它是由 177个氨基酸残基组成的
同四聚体，结合单链 DNA的跨度约 32个核苷
酸单位。
功能,SSB与解开的 DNA单链紧密结合，防止
重新形成双链，并免受核酸酶降解。 在复制
中维持模板处于单链状态。
解螺旋酶
helicase
DNA拓朴异构酶
DNA topoisomerase
单链 DNA结合蛋白
SSB
(single strand DNA
binding protein)
解开, 理顺 DNA链、维持 DNA单链 状态
6.DNA连接酶 （ DNA ligase）
连接 DNA链 3?-OH末端和相邻 DNA链 5?-P
末端，形成 磷酸二酯键,从而把两段相邻的
DNA链 连接成完整的链。反应需要 ATP。
催化两段 DNA之间的连接
3
5
5
3 5
35
3
HO P
D N A l ig a s e
NAD
A T P
N M N
A M P +P P i
′
′
′
′
′
′
′
′
+
P
O H
P5 5
3
3
+
5
3
′
′
′
′
′
′
DNA
l i g a s e
O
O H
PO
O
O -
O
O H
PO
O
O
PP
-
-
αβγ
P P i
DNA连接酶在 复制,DNA修复,
重组、剪接 中均起 缝合缺口 作用。
是重要的 工具酶 之一。
三种酶连接作用比较
DNA聚合酶 引物或延长中的新链
连接酶 复制中不连续的两条单链
拓扑酶 切断、整理后的两链
(二 )原核生物 DNA复制过程
1.复制的起始
2.DNA链的延长
3.复制的终止
1.复制的起始
DNA复制的起始就是要 解开双链 和 生成引
物 。
(一 )DNA解成单链
由 拓扑异构酶 松弛超螺旋,解链酶 解
开双链,SSB结合到单链上使其稳定。
复制起始的解
链需要多种
蛋白质参与。
这些蛋白质
与复制起始
点的特有序
列结合，促
使其邻近的
DNA解链。
? 复制过程中各酶和蛋白质因子的作用
拓扑异构酶
解链酶
单链结合蛋白
DNA 聚合酶
引物酶及引发体
DNA 连接酶
引物
领头链
随从链
冈崎片段
5
′
5
′
3 ′3 ′
(二 )引物合成
引发体引导引物酶到达适当的位置合成引物。
D n a A
D n a B
D n a C
D N A 拓 异 构 酶
5 '
3 '
3 '
5 '
引物 是由引物酶催化,以 DNA为模板,NTP为底
物合成的 短链 RNA分子,长度约为十几个到几十
个核苷酸不等。引物的合成方向也是 5′→3 ′
方向。 DNA的聚合就是在引物的 3′－ OH上进行
的。
2.DNA链的延长
延长的生化过程,
在 DNA聚合酶催化下，以解开的
单链为模板，以四种 dNTP为原料，进
行聚合作用。即新进入的 dNTP 与引物
3′－ OH形成磷酸二酯键，由 5′?3′方
向延长子链。
5 '
3 ' 5 'D N A - p o l I I I
dCTP
dTTP
dGTP
dATP
dTTP dCTP
dATP
dGTP
原核生物为 DNA pol Ⅲ
真核生物为 DNA 聚合酶 α 和 δ,其中
α 与随从链的合成有关,δ 与领头链的合
成有关
3.复制的终止
1,随从链不连续片段的连接
2,原核生物在复制终止点的汇合
3,真核生物端粒的合成
(一 )不连续片段的连接
3 '
5 '
5 '
3 '
R N A 酶
PO H
3 '
5 '
5 '
3 '
D N A 聚 合 酶
P
3 '
5 '
5 '
3 '
d N T P
D N A 连 接 酶
3 '
5 '
5 '
3 '
A T P
(二 )原核生物复制的终止
原核生物环状 DNA为双向复制,
复制片段在复制的终止点汇合。
(三 )真核生物复制的终止
染色体 DNA呈线性，复制在末端停止。
3 '
5 '
5 '
3 '
3 '
5 '
5 '
3 '
不 连 续 片 段 的 连 接
3 '
5 '
5 '
3 '
3 '
5 '
5 '
3 '
? 端粒 (telomere):真核生物线性染色体末端的
一种特殊结构，由简单重复富含 G,T的
DNA序列及端粒结合蛋白组成。
? 功能,
保证 DNA的完整复制；
保护染色体末端免于化学修饰或核酸酶降解；
解决染色体复制时末端丢失问题 (寿命长短 )。
? 端粒酶, 由 RNA和蛋白质组成的酶。兼
有模板和逆转录酶两方面的作用。
端粒与衰老
实验,
1.体外培养的细胞端粒的长度随细胞逐代相传
而缩短，丢失到一定程度后细胞随之发生衰
老和死亡。
2.在无端粒酶活性的成纤维细胞中表达端粒酶
时，端粒的缩短和细胞的衰老都受到抑制。
结论：细胞的衰老可能是由端粒驱动的。
? 端粒的平均长度随着细胞分裂次数的增
多及年龄的增长而变短，可导致核生物
染色体稳定性下降，并导致衰老。其分
子机制在于，线形 DNA分子不能从末端
核苷酸外合成 RNA引物，如此染色体将
逐代缩短。但是在生殖细胞、胚胎细胞
和肿瘤细胞中，由于有端粒酶，所以并
不出现这种情况。
? 不同个体的端粒初始长度也不同，但对每个个体来说，
它们则可随时间流逝而变短。研究人员最近还发现，患
有一种可加速衰老的遗传疾病的人具有异常短的端粒，
进一步表明端粒在衰老过程中所起的作用。
? 然而在正常情况下，比较长的端粒就意味着长寿吗？为
了弄清这一点，盐湖城犹他大学的遗传学家 Richard
Cawthon及其同事检查了 143名老年男女的端粒长度 (这
些人曾经在至少 15年前提供过血样 )。研究小组在, 柳叶
刀, 杂志上报告说，那些端粒短于平均长度的实验参与
者比那些端粒较长的参与者早死４到５年，而且死于心
脏病的几率比后者高３倍多。端粒最短的参与者（即最
短的那 25％）死于传染病的几率比那些端粒较长的人高
８倍多。
? 达拉斯市得克萨斯大学西南医学中心的分子生物学家
Jerry Shay表示，这是“关于端粒可能限制了人类寿命
的第一条线索”。但他也提醒说，需要进行更多的研究
（使用更多的参与者）以弄清其中的联系。 Cawthon指
出，例如，弄清端粒变短是否确实导致了疾病或仅仅是
其他过程的副作用，这点很重要。
第三节 逆转录
? 以 RNA为模板，按照 RNA的核苷酸顺序
合成 DNA，这一途径与一般遗传信息流
的方向相反，称逆转录。
一、逆转录酶 (reverse transcription)
? 1970年,Temin和 Baltimore发现了逆转录酶，
获 1975年诺贝尔生理学医学奖 。
? 逆转录酶的作用是以 dNTP为底物，以 RNA为
模板,tRNA(主要是色氨酸 tRNA)为引物，在
tRNA3′羟基末端上，按 5′→3′ 方向，合成一条
与 RNA模板互补的 DNA单链，这条 DNA单链
叫做互补 DNA(complementary DNA,cDNA)，
它与 RNA模板形成 RNA-cDNA杂交体。随后又
在反转录酶的作用下，水解掉 RNA链，再以
cDNA为模板合成第二条 DNA链。至此，完成
由 RNA指导的 DNA合成过程。
逆转录酶是一种多功能酶
① RNA指导的 DNA 聚合酶活性；以 RNA为模板，
催化 dNTP聚合成 DNA的过程。逆转录酶不具
有 3′→5′ 外切酶活性，因此没有校正功能，所
以由反转录酶催化合成的 DNA出错率比较高。
② RNase H活性；由逆转录酶催化合成的 cDNA
与模板 RNA形成的杂交分子，将由 RNase H从
RNA5′端水解掉 RNA分子。
③ DNA指导的 DNA聚合酶活性；以反转录合成
的第一条 DNA单链为模板，以 dNTP为底物，
再合成第二条 DNA分子。
逆转录病毒 的基因
组复制过程
? 第一阶段：合成负股 cDNA的大部分
? 第二阶段：以负股 DNA为模板合成一小
部分正股 DNA链。
? 第三阶段：完成 cDNA的全部复制。
乙肝病毒基因组 的复制
? 其复制需通过逆转录过程经 RNA中间体
实现,其 DNA聚合酶也是一种逆转录酶。
? 逆转录病毒,RNA → DNA → RNA
? 乙肝病毒,DNA→RNA → DNA
逆转录酶的应用
? 1.用于合成 cDNA，建立 cDNA 文库，获
得基因或探针。
方法：提取组织细胞的 mRNA，经逆转录
合成 cDNA，然后被克隆入质粒或噬菌体
载体，转化宿主细胞后获得克隆群体。
可代表某一特定基因。
? 2.与 PCR 连用 ------RT-PCR。
病毒 RNA复制的主要方式
? 1、病毒含有正链 RNA，如灰质炎病毒。 RNA
（ +） → 蛋白质（酶） → RNA复制
? 2、病毒含有负链 RNA和复制酶如狂犬病毒。
RNA（ —） → RNA（ +） → 蛋白质、复制病
毒 RNA。
? 3、病毒含有双链 RNA和复制酶。如呼肠孤。
双链 RNA → RNA （ +） → 蛋白质 → RNA（ —）
→ 双链 RNA
? 4、逆转录病毒。
小结
掌握：半保留复制，半不连续复制，领头
链，随从链，端粒，端粒酶，逆转录的
基本概念；及逆转录复制的过程 。
熟悉：原核生物 DNA复制的过程，以及复
制过程中涉及到的各种酶、蛋白因子；
逆转录酶的应用；
思考题
1.半保留复制与半不连续复制的区别。
2.DNA复制时前导链与随从链的合成有哪
些不同?
3.连接酶催化的连接反应与 DNA聚合酶
5′→3′ 聚合活性有何异同?
4.什么是逆转录，有什么生物学意义?
