第三篇基因信息的传递授课教师 蔡文秀
* DNA通过基因表达，决定了蛋白质的结构
、功能
* DNA通过复制，将基因信息代代相传
* RNA参与 DNA遗传信息的表达
* RNA也可作为某些病毒遗传信息的载体本 篇 主 要 内 容
1、复制（ replication）
2、基因表达转录（ transcription）
翻译（ translation）
3、基因表达调控
4,基因工程（ genetic engineering )
（ gene expression)
（ control of gene expression)
第十章
DNA的生物合成复制 (replication)
—— 由亲代 DNA合成两个相同的子代 DNA的过程。
复制亲代 DNA 子代 DNA
本章主要内容：
1、复制的基本规律
2、复制的酶学和拓扑学变化
3,DNA生物合成过程
4、逆转录和其他复制方式
5,DNA损伤与修复第一节 复制的基本规律一、半保留复制
(semi-conservative replication)
二、双向复制
（ bidirectional replication）
三、半不连续复制
（ semi-discontinuous replication）
四、复制的高保真性
（ high fidelity）
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 混合式一、半保留复制
（一）半保留复制的定义复制时，母链的双链 DNA解开成两股单链，各自作为模板指导子代合成新的互补链。子代细胞的 DNA双链，其中一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链则完全重新合成。由于碱基互补，两个子细胞的 DNA双链，都和亲代母链 DNA碱基序列一致。这种复制方式称为 半保留复制（ semi-conservative replication)。
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
（二）半保留复制的实验依据
（ 三 ） 半保留复制的意义
1、使亲代 DNA所含的信息以极高的准确度传递给子代 DNA分子。
2,DNA通过复制和基因表达这两种主要功能，
决定了生物的特性和类型并体现了遗传过程的相对保守性 。
遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。
二、双向复制
（一）双向复制的定义复制时,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 （ bidirectional
replication） 。
复制中的放射自显影图象
（三）真核生物的双向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。
三、复制的半不连续性
DNA双螺旋的两条链是反平行的，而 DNA合成的方向只能是 5’ →3 ’ 。
在 DNA复制时,1条链的合成方向和复制叉的前进方向相同，可以连续复制，叫作 前导链
（ leading strand）；而另一条链的合成方向和复制叉的前进方向正好相反，不能连续复制，只能分成几个片段（ 冈崎片段） 合成，称之为 滞后链
（ lagging strand）。
领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制的 半不连续复制 。
3?
5?
3?
5?
解链方向领头链
(leading strand)
随从链
(lagging strand)
半不连续复制四、复制的高保真性
DNA复制的精确度极高，误差率很低，以保证物种在维持遗传保守性的同时，还要通过变异不断进化。
DNA复制的高度忠实性至少要依赖三种机制：
1、遵守严格的碱基配对规律；
2,DNA聚合酶在复制延长中对碱基的选择功能；
3、复制出错时,DNA聚合酶的即时校读功能。
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 。
DNA聚合酶的即时校读功能第二节 DNA复制的酶学一、复制的化学反应
（一）复制的反应体系
1．底物：四种 dNTP,dATP,dTTP、
dGTP,dCTP
2．聚合酶：依赖 DNA的 DNA聚合酶,DNA-
pol；
3．模板：指解开成单链的 DNA母链；
4．引物：提供 3’ － OH末端，使 dNP可以依次聚合；
5．其他酶和蛋白质因子。
（ 二 ） 复制的化学反应在聚合酶的作用下，一个核苷酸 5′-P和相邻的核苷酸上核糖的 3 ′-OH生成磷酸二酯键而逐一聚合的形成多核苷酸链。
（ dNMP） n＋ dNTP→ （ dNMP） n+l ＋ ppi
DNA链生成过程,DNA 新链生成需 引物和 模板 ； 只能从 5′-端向 3＇ -端延长。
复制的化学反应
(dNMP)n + dNTP → (dNMP) n+1 + PPi
二,参与复制的主要酶类
（一） DNA聚合酶
（二）解链解旋酶
（三）引物酶
（四） DNA连接酶
（ 一 ） DNA聚合酶全称：依赖 DNA的 DNA聚合酶（ DDDP）
缩写,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 RNA引物和突变的 DNA片段。
能辨认错配的碱基对，并将其水解。
核酸外切酶活性
1．原核生物的 DNA聚合酶
DNA-pol I
DNA-pol II
DNA-pol Ⅲ
（ 1） DNA聚合酶 Ⅰ,
①结构特点单一多肽链，从 N端到 C端有 3个酶促活性结构域依次排列,5′→3′ 外切酶、
3′→5′ 外切酶和 DNA聚合酶。
DNA Pol I在蛋白酶的作用下，可分为大、
小两个片段。小片段具有 5＇ → 3＇外切酶活性。大片段（又称为 Klenow片段）
具有聚合酶活性及 3′→5 ′ 外切酶活性，
它对核酸技术十分有用。
DNA-polⅠ
（ 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。
② DNA-pol I在活细胞内的功能
1） 5′→3′ 聚合酶的活性：对复制和修复中出现的空隙进行填补。
2） 3′→5′ 外切酶活性：对复制中错误进行即时校读，保证复制的准确性。
3） 5′→3′ 外切酶活性：可去除 RNA引物和突变碱基。
（ 2） DNA-pol II
5′→3 ’ 聚合酶活性
3’ →5′ 外切酶活性无 5’ →3 ’ 外切酶活性它只是在无 pol I及 pol Ⅲ 的情况下才起作用，其真正的功能也未完全清楚，可能在 损伤修复中有特殊作用。
（ 3） DNA pol-Ⅲ
①结构特点由 10种亚基（ α β γ δ δ ′ε θ τ χ ψ ）组成不对称异源二聚体。
核心酶 （ α ε θ ）
α 亚基,5′→ 3 ′聚合酶活性
ε 亚基,3 ′→ 5′外切酶活性和碱基选择功能,
是 复制保真性所必需
θ亚基,可能起组装作用
β 亚基：夹稳模板链并使酶沿模板链滑动
γ －复合物：促进全酶组装至模板及增强核心酶活性
DNA-pol Ⅲ
(250kD)
② DNA-pol Ⅲ 在活细胞内的功能
5′→3′ 聚合酶的活性：
是在复制延长中真正催化新链核苷酸聚合的酶。
3′→5′ 外切酶活性,对复制中错误进行即时校读，保证复制的准确性。
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
2,真核生物的 DNA聚合酶
DNA－ pol α,β,γ,δ,ε 。
DNA－ po1δ：延长领头链和随从链；
DNA— poIα：合成 RNA引物；
DNA－ polε：校读、修复和填补缺口。
DNA— polβ：在没有其他 DNA－ pol时发挥催化功能。
DNA— po1γ：催化线粒体 DNA的合成。
真核生物的 DNA聚合酶真核生物的 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→
）
（ 二 ） 与复制起始及解链解旋相关的酶类在复制起始时需要多种酶和蛋白因子，
共同起解开、理顺 DNA链，维持 DNA在一段时间内处于单链状态的作用。
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
1,与复制起始及解链相关的酶类及蛋白
（ 1） DnaA蛋白
（ 2） DnaB蛋白（解螺旋酶）
（ 3） DnaC蛋白
（ 1） DnaA蛋白
DnaA蛋白是由相同亚基组成的四聚体。
复制起始时,DnaA蛋白辨认并结合
E.coli上 复制起始点 oriC,10~20个 DnaA
蛋白相互靠近形成 DNA蛋白质复合体结构，促使 oriC局部解链。
复制起始点（ E.coli-oriC）
GATTNTTTATTT ··· GATCTNTTNTATT ··· GATCCTTATTAG ···
1 13 17 29 32 44
···TGTGGATTA-‖ -TTATTACACA-‖ -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?
识别区 AT富含区
（ 2） DnaB蛋白解螺旋酶,复制蛋白 rep,利用 ATP供能，
作用于氢键，使 DNA双链解开成为两条单链。
Dna B
Dna C
解链方向
（ 3） DnaC蛋白
Dna C蛋白的作用是将具有解链酶活性的
Dna B蛋白运送到复制模板，并协同 Dna
B 蛋白的作用。
DnaB,DnaC
DnaG（引物酶）
DnaA蛋白复合物解链过程中,DNA分子会过度拧紧,打结,
缠绕,连环等现象 。
2,DNA拓扑异构酶
（ DNA topoisomerase）
DNA拓扑异构酶，改变 DNA分子构象，
理顺 DNA链，使复制能顺利进行。
分类：拓扑酶 Ⅰ 和拓扑酶 Ⅱ
作用特点：对 DNA分子的作用是既能水解，又能连接磷酸二酯键。
DNA分子一边解链，一边复制，拓扑酶是在复制全过程中都是有作用的。
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
3,单链 DNA结合蛋白单链 DNA结合蛋白（ single stranded DNA
binding protein,SSB） 的作用是在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整。
模板的 DNA总要处于单链状态，而 DNA分子只要符合碱墓配对，又总会有形成双链的倾向，
以使分子达到稳定状态和免受胞内广泛存在的核酸酶降解。
（ 三 ） 引物酶
DNA聚合酶不能从头合成 DNA链，只能延长已有的 DNA或 RNA引物链。
引物酶 （ primase）在复制起始时催化 引物
（ primer） 合成,提供 3?-OH末端，使 DNA-pol
能够催化 dNTP聚合。
引物酶属 DNA指导的 RNA 聚合酶，但不同于催化转录过程的 RNA聚合酶。在 E.coli，引物酶是 dnaG基因的产物 DnaG。
（ 四 ） DNA连接酶 （ DNA ligase）
连接 DNA链 3′-OH末端和相邻 DNA链的 5 ′ － P
末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的 DNA链连成完整的链。
特点：连接酶连接碱基互补基础上的双链中的单链缺口，它并没有连接单独存在的 DNA单链或 RNA单链的作用。
功能：在复制中起最后接合缺口的作用，在
DNA修复、重组、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 。
三种酶催化生成磷酸二酯键的比较第三节
DNA生物合成过程一、原核生物 DNA生物合成
（一）复制的起始
（二）复制的延长
（三）复制的终止
1,DNA解链
2、引发体的形成并合成引物
3、超螺旋的转型
（一）复制的起始
DnaA蛋白辨认起始点,
形成起始复合物
DnaB蛋白解螺旋
DnaC蛋白协助 DnaB
在多种蛋白质参与下，
DNA解开成单链
HU蛋白促进起始
SSB维持单链稳定
Dna A
Dna B,Dna C
DNA拓扑异构酶 SSB
3?
5?
3?
5?
引发体的形成含有解螺旋酶,DnaC蛋白、引物酶和 DNA
复制起始区域的复合结构称为 引发体 。
引物的合成
Dna A
Dna B,Dna C
DNA拓扑异构酶
SSB
3?
5?
3?
5?
引发体的蛋白质部分在 DNA链上可以移动，并需由 ATP供给能量。引发体到达适当位置就可按照模板的配对序列，催化
NTP（不是 dNTP）的聚合，生成引物。
DNA复制是半不连续，一股链是可以连续进行的，另一股链是不连续复制的，在不连续复制的链上，引发体需多次生成。
引发体的生成和 DNA解成复制叉
（ 三 ） 超螺旋的转型解链将导致下游发生打结现象或 DNA超螺旋的其他部分过度拧转。
拓扑酶通过切断、旋转和再连结的作用，
实现 DNA超螺旋的转型，即把正超螺旋变为负螺旋。
实验证明，负超螺旋比正超螺旋有更好的模板作用。
+
复制起始的过程
1,DnaA蛋白辨认结合 oriC的重复序列，并与
DNA形成复合物，引起解链；
2,DnaB在 DnaC的辅助下结合于初步打开的双链，并用其解螺旋酶活性开链；
3．拓扑酶通过切断、旋转和再连结的作用，实现 DNA超螺旋的转型；
4,SSB结合在已开链的 DNA模板上，使 DNA在一定的范围内保持开链状态。
5．引物酶介入，形成的引发体，可按照模板的配对序列，催化 NTP的聚合，生成引物。
（ 二 ） 复制的延长脱氧单核苷酸逐个加入而延长 DNA新链，
其化学反应本质是生成磷酸二酯键。
催化此反应的酶：
原核生物,DNA-pol Ⅲ
真核生物,DNA-polα— 催化不连续复制
DNA-polδ — 催化连续复制
（－）复制延长的生化过程复制起始时，母链即已解开，两股单链都是模板，其作用是按碱基配对规律指引核苷酸加入到新链 。
每次加入的单个核苷酸，都是以 dNTP为原料，复制时子链从 5’ 向 3’ 延长。
复制延长速度相当快。 E.coli每秒钟能加入的核苷酸数达 2500个。
（ 二 ） 复制的半不连续性和冈崎片段在形成双螺旋结构时,DNA双链的走向是相反的。
复制经解链后，两股单链在复制叉上也是走向相反。
复制，包括引物合成，只能从 5′向 3′延伸。
而在同一复制叉上，解链的方向只可能有一个。
复制方向与解链方向不一致可以理解不连续复制的成因
1．领头链连续复制顺着解链方向而生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链（ leading
strand)。
2．随从链不连续复制复制的方向与解链方向相反生成的子链称为 随从链 （ lagging strand） 。
随从链 的复制必须等待模板链解开至足够长度，才能从 5′→3 ‘ 方向生成引物然后复制。
随从链 在延长时，又要等到下一段暴露出足够长而度的模板,再次 生成引物而延长。这就是不连续复制。
随从链的合成
3,冈崎片段随从链不连续复制的片段称为冈崎片段，
其大小在 1000～ 2000个核苷酸。
每一个不连续复制的片段 5’ -端都带有一个 RNA引物。
片段的复制完成后,RNA引物会被除去而代之以 DNA片段，因此复制至最后，
两股子链都是 DNA链。
3?
5?
3?
5?
解链方向
3
’
5
’
3
’
3
’
5
’
冈崎片段在同一个复制叉上，领头链的复制先于后随链，但两链是在 同一 DNApolⅢ 催化下进行。即随从链的模板可折叠或环绕成环状，与前导链正在延长的区域对齐，使领头链和随从链的生长点都处在 DNApolⅢ 催化位点上。
解链方向就是酶的前进方向，
也是复制叉延伸方向。
复制延长简图
（三）复制的终止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。
复制的起始点和终止点刚好把环状 DNA
分为两个半圆，两个方向各进行 180，同时在终止点汇合。
为了定位方便，习惯把 E.coli的 DNA分为
100等分。 E.coli复制起始点 oriC在 82位点，
复制终点 ter（ termination）在 32位点。
E,coli 基因图
ori
ter
E.coli
82
32
ter
oriC
5?
5?
DNA-pol Ⅰ
5?
OH P5?
DNA-pol ⅠdNTP
5?
5? P
5?
5?
ATP
ADP+Pi
DNA连接酶
随从链上不连续性片段的连接哺乳动物的细胞周期
DNA合成 (synthesis) 期
G1
G2
S M
人为分成起始、延长、终止三个阶段二、真核生物的 DNA生物合成
（一）复制的起始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。
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
（三）复制的终止染色体 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。
5?
3?
3?
5?
5?
3?
3?
5?
+
5?
3?
3?
3?
3?
5?
5?
5?
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)的 组成
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)
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端粒和端粒酶的生物学意义端粒特别是端粒酶的活性与细胞的生长、繁殖、衰老凋亡以及肿瘤的发生密切相关。
端粒的平均长度随细胞分裂次数的增多及年龄的增长而逐渐变短至消失，可导致染色体稳定性下降，导致细胞衰老凋亡。
体细胞几乎没有端粒酶活性，随多次细胞分裂端粒逐渐缩短，细胞失去增殖能力。而端粒酶活性较高的胚原细胞，端粒长度未缩短。
肿瘤细胞端粒酶重新获得活性，以维持端粒结构致使染色体稳定而成为永生细胞。
肿瘤细胞的端粒比正常人同类细胞显著缩短。
逆转录和其他复制方式
Reverse Transcription and Other DNA
Replication Ways
第四节逆转录酶 (reverse transcriptase)
逆转录逆转录酶一、逆转录病毒和逆转录酶
（一）逆转录在逆转录酶的作用下以 RNA为模板合成
DNA的过程。此过程中，核酸合成与转录（ DNA→RNA ）过程遗传信息的流动方向相反（ RNA→DNA ），故称为逆转录（ reverse transcription) 。
（二）逆转录病毒
RNA病毒的基因组是 RNA而不是 DNA，其复制方式是逆转录，故称为 逆转录病毒
（ retrovirus）。
RNA病毒感染活细胞后，要先经逆转录成为双链 DNA，通过基因重组方式，参加入宿主细胞基因组，并随宿主细胞复制和表达。这种重组方式称为整合（ integration）。
病毒基因的整合可能是病毒致癌的重要方式。
（三）逆转录酶能催化以单链 RNA为模板合成双链 DNA的反应的酶称为 逆转录酶（ reverse transcriptase)。
它兼有三种酶的活性,RNA指导的 DNA聚合酶，
DNA指导的 DNA聚合酶和 RNase H活性。
所谓 RNase H活性是指除去杂合分子中的 RNA。
它可以从 5′→3′ 和 3′→5′ 两个方向水解 DNA－
RNA。
逆转录酶和其他 DNA聚合酶一样，合成 DNA的方向为 5′→3 ＇，并且不能从头合成 DNA，也需要引物，是病毒本身的一种 tRNA。
二、逆转录过程
1．以单链 RNA的基因组为模板，在逆转录酶
(RNA指导的 DNA聚合酶 )的催化下，合成一条单链 DNA；
2,产物与模板生成 RNA∶ DNA杂化双链,杂化双链中的 RNA被逆转录酶 (RNase H)水解；
3．以新合成的单链 DNA为模板,逆转录酶 (DNA
指导的 DNA聚合酶 )催化合成第二链的 DNA。
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
三、逆转录酶和逆转录现象的生物学意义
（一）逆转录酶和逆转录现象是分子生物学研究中的重大发现
RNA同样兼有遗传信息传代与表达功能。
（ 二 ） 对逆转录病毒的研究,拓宽了病毒致癌理论 。
（三）分子生物学研究应用逆转录酶
（ cDNA法 )，作为获取基因工程目的基因的重要方法之一。
第五节
DNA损伤（突变）与修复
DNA Damage (Mutation) and Repair
一、突变的定义二、突变的意义三、引发突变的因素四、突变的分子改变类型五,DNA损伤的修复一、突变的定义：
个别脱氧核糖核苷酸残基甚至片段 DNA在构成,复制或表型功能上的异常变化,称为突变 （ Mutation）,也称为 DNA损伤
（ DNA damage） 。
遗传物质结构改变引起遗传信息的改变 。
二、突变的意义
（ － ） 突变是进化,分化的分子基础自发突变或自然突变
（ 二 ） 突变导致基因型改变多态性：个体之间的基因型差别 。
（三）突变导致死亡突变发生在对生命过程至关重要的基因上，可导致个体、细胞的死亡。
（四）突变是某些疾病的发病基础有害的突变三、引发突变的因素
（ 一 ） 自发突变
（ 二 ） 诱发突变
1,物理因素,主要指紫外线和各种辐射,
如紫外线可引起 DNA链上相邻 的两个 嘧啶碱基 发生共价结合,生成嘧啶二聚体 。
2,化学因素,化工原料,化工产品和副产品,各种工业的排放物,农药,食品防腐剂或添加剂,以至汽车排放的废气 。
嘧啶二聚体的形成与解聚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
四、突变分子改变的类型
错配 (mismatch)
缺失 (deletion)
插入 (insertion)
重排 (rearrangement)
框移
(frame-shift)
（一）错配（ mismatch）
DNA分 子 上 的 碱 基 错 配 称 点突变 ( p o i n t
mutation)。 点突变发生在基因的编码区域,可导致氨基酸的改变 。
1,转换,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 。
2,颠换,发生在异型碱基之间,即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤 。
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基因膀胱癌细胞 c-rasH基因点突变
（二）缺失、插入和框移突变缺失,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：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，
其后果是翻译出的蛋白质可能完全不同 。
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
（三）重排（ rearrangement）
DNA分子内发生较大片段的交换，称为重组或重排。
移位的 DNA可以在新位点上颠倒方向反置（倒位），也可以在染色体之间发生交换重组。
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（ DNA repairing）
修复是指针对已发生了的缺陷而施行的补救机制。
修复的主要类型：
（一）光修复 (light repairing)
（二）切除修复 (excision repairing)
（三）重组修复 (recombination repairing)
（四） SOS修复
（一）光修复光修复过程是通过光修复酶（ photolyase）
催化而完成的，仅需 300～ 600nm波长照射即可活化，普遍存在于各种生物，人体细胞中也有发现。
通过此酶作用，可使嘧啶二聚体分解为原来的非聚合状态,DNA完全恢复正常。
光修复光修复酶
(photolyase)
UV
（二）切除修复（ excision repairing）
细胞内最重要的修复机制，包括去除损伤 DNA，
填补空隙和连接。
1、原核生物 DNA损伤修复：
UvrA,UvrB辨认及结合 DNA损伤部位；
UvrC在解螺旋酶的协助下切除损伤部位。
DNA-polⅠ 和连接酶 填补空隙和连接。
2、真核生物 DNA损伤修复：
XP类蛋白辨认和切除损伤 DNA部位，切除后留下的空隙，则由 DNA-pol δ 及 ε 加以修复。
E.coli的 切除修复方式
UvrA UvrB
UvrC
OH P
DNA聚合酶 Ⅰ
OH P
DNA连接酶 ATP
（三）重组修复（ recombination repairing）
当 DNA分子的损伤面较大，还来不及修复完善就进行复制时，损伤部位因无模板指引，复制出来的新子链会出现缺口，这时，就靠重组蛋白 RecA的核酸酶活性将另一股健康的母链与缺口部分进行交换，以填补缺口。
损伤链移到己完成复制的链上，如果损伤又只发生在双链 DNA中的一股单链，则下一轮的复制损伤链就只占 DNA的 1／ 4，不断复制后，其比例就越来越低，称为把损伤链,稀释,掉。
重组修复
（四） SOS修复是一类应急性的修复方式。由于 DNA损伤广泛至难以继续复制，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 。
特点：反应特异性低，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保留的错误会较多，引起较广泛、长期的突变。
* DNA通过基因表达，决定了蛋白质的结构
、功能
* DNA通过复制，将基因信息代代相传
* RNA参与 DNA遗传信息的表达
* RNA也可作为某些病毒遗传信息的载体本 篇 主 要 内 容
1、复制（ replication）
2、基因表达转录（ transcription）
翻译（ translation）
3、基因表达调控
4,基因工程（ genetic engineering )
（ gene expression)
（ control of gene expression)
第十章
DNA的生物合成复制 (replication)
—— 由亲代 DNA合成两个相同的子代 DNA的过程。
复制亲代 DNA 子代 DNA
本章主要内容：
1、复制的基本规律
2、复制的酶学和拓扑学变化
3,DNA生物合成过程
4、逆转录和其他复制方式
5,DNA损伤与修复第一节 复制的基本规律一、半保留复制
(semi-conservative replication)
二、双向复制
（ bidirectional replication）
三、半不连续复制
（ semi-discontinuous replication）
四、复制的高保真性
（ high fidelity）
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 混合式一、半保留复制
（一）半保留复制的定义复制时，母链的双链 DNA解开成两股单链，各自作为模板指导子代合成新的互补链。子代细胞的 DNA双链，其中一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链则完全重新合成。由于碱基互补，两个子细胞的 DNA双链，都和亲代母链 DNA碱基序列一致。这种复制方式称为 半保留复制（ semi-conservative replication)。
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
（二）半保留复制的实验依据
（ 三 ） 半保留复制的意义
1、使亲代 DNA所含的信息以极高的准确度传递给子代 DNA分子。
2,DNA通过复制和基因表达这两种主要功能，
决定了生物的特性和类型并体现了遗传过程的相对保守性 。
遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。
二、双向复制
（一）双向复制的定义复制时,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 （ bidirectional
replication） 。
复制中的放射自显影图象
（三）真核生物的双向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。
三、复制的半不连续性
DNA双螺旋的两条链是反平行的，而 DNA合成的方向只能是 5’ →3 ’ 。
在 DNA复制时,1条链的合成方向和复制叉的前进方向相同，可以连续复制，叫作 前导链
（ leading strand）；而另一条链的合成方向和复制叉的前进方向正好相反，不能连续复制，只能分成几个片段（ 冈崎片段） 合成，称之为 滞后链
（ lagging strand）。
领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制的 半不连续复制 。
3?
5?
3?
5?
解链方向领头链
(leading strand)
随从链
(lagging strand)
半不连续复制四、复制的高保真性
DNA复制的精确度极高，误差率很低，以保证物种在维持遗传保守性的同时，还要通过变异不断进化。
DNA复制的高度忠实性至少要依赖三种机制：
1、遵守严格的碱基配对规律；
2,DNA聚合酶在复制延长中对碱基的选择功能；
3、复制出错时,DNA聚合酶的即时校读功能。
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 。
DNA聚合酶的即时校读功能第二节 DNA复制的酶学一、复制的化学反应
（一）复制的反应体系
1．底物：四种 dNTP,dATP,dTTP、
dGTP,dCTP
2．聚合酶：依赖 DNA的 DNA聚合酶,DNA-
pol；
3．模板：指解开成单链的 DNA母链；
4．引物：提供 3’ － OH末端，使 dNP可以依次聚合；
5．其他酶和蛋白质因子。
（ 二 ） 复制的化学反应在聚合酶的作用下，一个核苷酸 5′-P和相邻的核苷酸上核糖的 3 ′-OH生成磷酸二酯键而逐一聚合的形成多核苷酸链。
（ dNMP） n＋ dNTP→ （ dNMP） n+l ＋ ppi
DNA链生成过程,DNA 新链生成需 引物和 模板 ； 只能从 5′-端向 3＇ -端延长。
复制的化学反应
(dNMP)n + dNTP → (dNMP) n+1 + PPi
二,参与复制的主要酶类
（一） DNA聚合酶
（二）解链解旋酶
（三）引物酶
（四） DNA连接酶
（ 一 ） DNA聚合酶全称：依赖 DNA的 DNA聚合酶（ DDDP）
缩写,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 RNA引物和突变的 DNA片段。
能辨认错配的碱基对，并将其水解。
核酸外切酶活性
1．原核生物的 DNA聚合酶
DNA-pol I
DNA-pol II
DNA-pol Ⅲ
（ 1） DNA聚合酶 Ⅰ,
①结构特点单一多肽链，从 N端到 C端有 3个酶促活性结构域依次排列,5′→3′ 外切酶、
3′→5′ 外切酶和 DNA聚合酶。
DNA Pol I在蛋白酶的作用下，可分为大、
小两个片段。小片段具有 5＇ → 3＇外切酶活性。大片段（又称为 Klenow片段）
具有聚合酶活性及 3′→5 ′ 外切酶活性，
它对核酸技术十分有用。
DNA-polⅠ
（ 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。
② DNA-pol I在活细胞内的功能
1） 5′→3′ 聚合酶的活性：对复制和修复中出现的空隙进行填补。
2） 3′→5′ 外切酶活性：对复制中错误进行即时校读，保证复制的准确性。
3） 5′→3′ 外切酶活性：可去除 RNA引物和突变碱基。
（ 2） DNA-pol II
5′→3 ’ 聚合酶活性
3’ →5′ 外切酶活性无 5’ →3 ’ 外切酶活性它只是在无 pol I及 pol Ⅲ 的情况下才起作用，其真正的功能也未完全清楚，可能在 损伤修复中有特殊作用。
（ 3） DNA pol-Ⅲ
①结构特点由 10种亚基（ α β γ δ δ ′ε θ τ χ ψ ）组成不对称异源二聚体。
核心酶 （ α ε θ ）
α 亚基,5′→ 3 ′聚合酶活性
ε 亚基,3 ′→ 5′外切酶活性和碱基选择功能,
是 复制保真性所必需
θ亚基,可能起组装作用
β 亚基：夹稳模板链并使酶沿模板链滑动
γ －复合物：促进全酶组装至模板及增强核心酶活性
DNA-pol Ⅲ
(250kD)
② DNA-pol Ⅲ 在活细胞内的功能
5′→3′ 聚合酶的活性：
是在复制延长中真正催化新链核苷酸聚合的酶。
3′→5′ 外切酶活性,对复制中错误进行即时校读，保证复制的准确性。
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
2,真核生物的 DNA聚合酶
DNA－ pol α,β,γ,δ,ε 。
DNA－ po1δ：延长领头链和随从链；
DNA— poIα：合成 RNA引物；
DNA－ polε：校读、修复和填补缺口。
DNA— polβ：在没有其他 DNA－ pol时发挥催化功能。
DNA— po1γ：催化线粒体 DNA的合成。
真核生物的 DNA聚合酶真核生物的 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→
）
（ 二 ） 与复制起始及解链解旋相关的酶类在复制起始时需要多种酶和蛋白因子，
共同起解开、理顺 DNA链，维持 DNA在一段时间内处于单链状态的作用。
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
1,与复制起始及解链相关的酶类及蛋白
（ 1） DnaA蛋白
（ 2） DnaB蛋白（解螺旋酶）
（ 3） DnaC蛋白
（ 1） DnaA蛋白
DnaA蛋白是由相同亚基组成的四聚体。
复制起始时,DnaA蛋白辨认并结合
E.coli上 复制起始点 oriC,10~20个 DnaA
蛋白相互靠近形成 DNA蛋白质复合体结构，促使 oriC局部解链。
复制起始点（ E.coli-oriC）
GATTNTTTATTT ··· GATCTNTTNTATT ··· GATCCTTATTAG ···
1 13 17 29 32 44
···TGTGGATTA-‖ -TTATTACACA-‖ -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?
识别区 AT富含区
（ 2） DnaB蛋白解螺旋酶,复制蛋白 rep,利用 ATP供能，
作用于氢键，使 DNA双链解开成为两条单链。
Dna B
Dna C
解链方向
（ 3） DnaC蛋白
Dna C蛋白的作用是将具有解链酶活性的
Dna B蛋白运送到复制模板，并协同 Dna
B 蛋白的作用。
DnaB,DnaC
DnaG（引物酶）
DnaA蛋白复合物解链过程中,DNA分子会过度拧紧,打结,
缠绕,连环等现象 。
2,DNA拓扑异构酶
（ DNA topoisomerase）
DNA拓扑异构酶，改变 DNA分子构象，
理顺 DNA链，使复制能顺利进行。
分类：拓扑酶 Ⅰ 和拓扑酶 Ⅱ
作用特点：对 DNA分子的作用是既能水解，又能连接磷酸二酯键。
DNA分子一边解链，一边复制，拓扑酶是在复制全过程中都是有作用的。
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
3,单链 DNA结合蛋白单链 DNA结合蛋白（ single stranded DNA
binding protein,SSB） 的作用是在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整。
模板的 DNA总要处于单链状态，而 DNA分子只要符合碱墓配对，又总会有形成双链的倾向，
以使分子达到稳定状态和免受胞内广泛存在的核酸酶降解。
（ 三 ） 引物酶
DNA聚合酶不能从头合成 DNA链，只能延长已有的 DNA或 RNA引物链。
引物酶 （ primase）在复制起始时催化 引物
（ primer） 合成,提供 3?-OH末端，使 DNA-pol
能够催化 dNTP聚合。
引物酶属 DNA指导的 RNA 聚合酶，但不同于催化转录过程的 RNA聚合酶。在 E.coli，引物酶是 dnaG基因的产物 DnaG。
（ 四 ） DNA连接酶 （ DNA ligase）
连接 DNA链 3′-OH末端和相邻 DNA链的 5 ′ － P
末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的 DNA链连成完整的链。
特点：连接酶连接碱基互补基础上的双链中的单链缺口，它并没有连接单独存在的 DNA单链或 RNA单链的作用。
功能：在复制中起最后接合缺口的作用，在
DNA修复、重组、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 。
三种酶催化生成磷酸二酯键的比较第三节
DNA生物合成过程一、原核生物 DNA生物合成
（一）复制的起始
（二）复制的延长
（三）复制的终止
1,DNA解链
2、引发体的形成并合成引物
3、超螺旋的转型
（一）复制的起始
DnaA蛋白辨认起始点,
形成起始复合物
DnaB蛋白解螺旋
DnaC蛋白协助 DnaB
在多种蛋白质参与下，
DNA解开成单链
HU蛋白促进起始
SSB维持单链稳定
Dna A
Dna B,Dna C
DNA拓扑异构酶 SSB
3?
5?
3?
5?
引发体的形成含有解螺旋酶,DnaC蛋白、引物酶和 DNA
复制起始区域的复合结构称为 引发体 。
引物的合成
Dna A
Dna B,Dna C
DNA拓扑异构酶
SSB
3?
5?
3?
5?
引发体的蛋白质部分在 DNA链上可以移动，并需由 ATP供给能量。引发体到达适当位置就可按照模板的配对序列，催化
NTP（不是 dNTP）的聚合，生成引物。
DNA复制是半不连续，一股链是可以连续进行的，另一股链是不连续复制的，在不连续复制的链上，引发体需多次生成。
引发体的生成和 DNA解成复制叉
（ 三 ） 超螺旋的转型解链将导致下游发生打结现象或 DNA超螺旋的其他部分过度拧转。
拓扑酶通过切断、旋转和再连结的作用，
实现 DNA超螺旋的转型，即把正超螺旋变为负螺旋。
实验证明，负超螺旋比正超螺旋有更好的模板作用。
+
复制起始的过程
1,DnaA蛋白辨认结合 oriC的重复序列，并与
DNA形成复合物，引起解链；
2,DnaB在 DnaC的辅助下结合于初步打开的双链，并用其解螺旋酶活性开链；
3．拓扑酶通过切断、旋转和再连结的作用，实现 DNA超螺旋的转型；
4,SSB结合在已开链的 DNA模板上，使 DNA在一定的范围内保持开链状态。
5．引物酶介入，形成的引发体，可按照模板的配对序列，催化 NTP的聚合，生成引物。
（ 二 ） 复制的延长脱氧单核苷酸逐个加入而延长 DNA新链，
其化学反应本质是生成磷酸二酯键。
催化此反应的酶：
原核生物,DNA-pol Ⅲ
真核生物,DNA-polα— 催化不连续复制
DNA-polδ — 催化连续复制
（－）复制延长的生化过程复制起始时，母链即已解开，两股单链都是模板，其作用是按碱基配对规律指引核苷酸加入到新链 。
每次加入的单个核苷酸，都是以 dNTP为原料，复制时子链从 5’ 向 3’ 延长。
复制延长速度相当快。 E.coli每秒钟能加入的核苷酸数达 2500个。
（ 二 ） 复制的半不连续性和冈崎片段在形成双螺旋结构时,DNA双链的走向是相反的。
复制经解链后，两股单链在复制叉上也是走向相反。
复制，包括引物合成，只能从 5′向 3′延伸。
而在同一复制叉上，解链的方向只可能有一个。
复制方向与解链方向不一致可以理解不连续复制的成因
1．领头链连续复制顺着解链方向而生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链（ leading
strand)。
2．随从链不连续复制复制的方向与解链方向相反生成的子链称为 随从链 （ lagging strand） 。
随从链 的复制必须等待模板链解开至足够长度，才能从 5′→3 ‘ 方向生成引物然后复制。
随从链 在延长时，又要等到下一段暴露出足够长而度的模板,再次 生成引物而延长。这就是不连续复制。
随从链的合成
3,冈崎片段随从链不连续复制的片段称为冈崎片段，
其大小在 1000～ 2000个核苷酸。
每一个不连续复制的片段 5’ -端都带有一个 RNA引物。
片段的复制完成后,RNA引物会被除去而代之以 DNA片段，因此复制至最后，
两股子链都是 DNA链。
3?
5?
3?
5?
解链方向
3
’
5
’
3
’
3
’
5
’
冈崎片段在同一个复制叉上，领头链的复制先于后随链，但两链是在 同一 DNApolⅢ 催化下进行。即随从链的模板可折叠或环绕成环状，与前导链正在延长的区域对齐，使领头链和随从链的生长点都处在 DNApolⅢ 催化位点上。
解链方向就是酶的前进方向，
也是复制叉延伸方向。
复制延长简图
（三）复制的终止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。
复制的起始点和终止点刚好把环状 DNA
分为两个半圆，两个方向各进行 180，同时在终止点汇合。
为了定位方便，习惯把 E.coli的 DNA分为
100等分。 E.coli复制起始点 oriC在 82位点，
复制终点 ter（ termination）在 32位点。
E,coli 基因图
ori
ter
E.coli
82
32
ter
oriC
5?
5?
DNA-pol Ⅰ
5?
OH P5?
DNA-pol ⅠdNTP
5?
5? P
5?
5?
ATP
ADP+Pi
DNA连接酶
随从链上不连续性片段的连接哺乳动物的细胞周期
DNA合成 (synthesis) 期
G1
G2
S M
人为分成起始、延长、终止三个阶段二、真核生物的 DNA生物合成
（一）复制的起始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。
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
（三）复制的终止染色体 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。
5?
3?
3?
5?
5?
3?
3?
5?
+
5?
3?
3?
3?
3?
5?
5?
5?
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)的 组成
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)
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端粒和端粒酶的生物学意义端粒特别是端粒酶的活性与细胞的生长、繁殖、衰老凋亡以及肿瘤的发生密切相关。
端粒的平均长度随细胞分裂次数的增多及年龄的增长而逐渐变短至消失，可导致染色体稳定性下降，导致细胞衰老凋亡。
体细胞几乎没有端粒酶活性，随多次细胞分裂端粒逐渐缩短，细胞失去增殖能力。而端粒酶活性较高的胚原细胞，端粒长度未缩短。
肿瘤细胞端粒酶重新获得活性，以维持端粒结构致使染色体稳定而成为永生细胞。
肿瘤细胞的端粒比正常人同类细胞显著缩短。
逆转录和其他复制方式
Reverse Transcription and Other DNA
Replication Ways
第四节逆转录酶 (reverse transcriptase)
逆转录逆转录酶一、逆转录病毒和逆转录酶
（一）逆转录在逆转录酶的作用下以 RNA为模板合成
DNA的过程。此过程中，核酸合成与转录（ DNA→RNA ）过程遗传信息的流动方向相反（ RNA→DNA ），故称为逆转录（ reverse transcription) 。
（二）逆转录病毒
RNA病毒的基因组是 RNA而不是 DNA，其复制方式是逆转录，故称为 逆转录病毒
（ retrovirus）。
RNA病毒感染活细胞后，要先经逆转录成为双链 DNA，通过基因重组方式，参加入宿主细胞基因组，并随宿主细胞复制和表达。这种重组方式称为整合（ integration）。
病毒基因的整合可能是病毒致癌的重要方式。
（三）逆转录酶能催化以单链 RNA为模板合成双链 DNA的反应的酶称为 逆转录酶（ reverse transcriptase)。
它兼有三种酶的活性,RNA指导的 DNA聚合酶，
DNA指导的 DNA聚合酶和 RNase H活性。
所谓 RNase H活性是指除去杂合分子中的 RNA。
它可以从 5′→3′ 和 3′→5′ 两个方向水解 DNA－
RNA。
逆转录酶和其他 DNA聚合酶一样，合成 DNA的方向为 5′→3 ＇，并且不能从头合成 DNA，也需要引物，是病毒本身的一种 tRNA。
二、逆转录过程
1．以单链 RNA的基因组为模板，在逆转录酶
(RNA指导的 DNA聚合酶 )的催化下，合成一条单链 DNA；
2,产物与模板生成 RNA∶ DNA杂化双链,杂化双链中的 RNA被逆转录酶 (RNase H)水解；
3．以新合成的单链 DNA为模板,逆转录酶 (DNA
指导的 DNA聚合酶 )催化合成第二链的 DNA。
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
三、逆转录酶和逆转录现象的生物学意义
（一）逆转录酶和逆转录现象是分子生物学研究中的重大发现
RNA同样兼有遗传信息传代与表达功能。
（ 二 ） 对逆转录病毒的研究,拓宽了病毒致癌理论 。
（三）分子生物学研究应用逆转录酶
（ cDNA法 )，作为获取基因工程目的基因的重要方法之一。
第五节
DNA损伤（突变）与修复
DNA Damage (Mutation) and Repair
一、突变的定义二、突变的意义三、引发突变的因素四、突变的分子改变类型五,DNA损伤的修复一、突变的定义：
个别脱氧核糖核苷酸残基甚至片段 DNA在构成,复制或表型功能上的异常变化,称为突变 （ Mutation）,也称为 DNA损伤
（ DNA damage） 。
遗传物质结构改变引起遗传信息的改变 。
二、突变的意义
（ － ） 突变是进化,分化的分子基础自发突变或自然突变
（ 二 ） 突变导致基因型改变多态性：个体之间的基因型差别 。
（三）突变导致死亡突变发生在对生命过程至关重要的基因上，可导致个体、细胞的死亡。
（四）突变是某些疾病的发病基础有害的突变三、引发突变的因素
（ 一 ） 自发突变
（ 二 ） 诱发突变
1,物理因素,主要指紫外线和各种辐射,
如紫外线可引起 DNA链上相邻 的两个 嘧啶碱基 发生共价结合,生成嘧啶二聚体 。
2,化学因素,化工原料,化工产品和副产品,各种工业的排放物,农药,食品防腐剂或添加剂,以至汽车排放的废气 。
嘧啶二聚体的形成与解聚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
四、突变分子改变的类型
错配 (mismatch)
缺失 (deletion)
插入 (insertion)
重排 (rearrangement)
框移
(frame-shift)
（一）错配（ mismatch）
DNA分 子 上 的 碱 基 错 配 称 点突变 ( p o i n t
mutation)。 点突变发生在基因的编码区域,可导致氨基酸的改变 。
1,转换,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 。
2,颠换,发生在异型碱基之间,即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤 。
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基因膀胱癌细胞 c-rasH基因点突变
（二）缺失、插入和框移突变缺失,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：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，
其后果是翻译出的蛋白质可能完全不同 。
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
（三）重排（ rearrangement）
DNA分子内发生较大片段的交换，称为重组或重排。
移位的 DNA可以在新位点上颠倒方向反置（倒位），也可以在染色体之间发生交换重组。
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（ DNA repairing）
修复是指针对已发生了的缺陷而施行的补救机制。
修复的主要类型：
（一）光修复 (light repairing)
（二）切除修复 (excision repairing)
（三）重组修复 (recombination repairing)
（四） SOS修复
（一）光修复光修复过程是通过光修复酶（ photolyase）
催化而完成的，仅需 300～ 600nm波长照射即可活化，普遍存在于各种生物，人体细胞中也有发现。
通过此酶作用，可使嘧啶二聚体分解为原来的非聚合状态,DNA完全恢复正常。
光修复光修复酶
(photolyase)
UV
（二）切除修复（ excision repairing）
细胞内最重要的修复机制，包括去除损伤 DNA，
填补空隙和连接。
1、原核生物 DNA损伤修复：
UvrA,UvrB辨认及结合 DNA损伤部位；
UvrC在解螺旋酶的协助下切除损伤部位。
DNA-polⅠ 和连接酶 填补空隙和连接。
2、真核生物 DNA损伤修复：
XP类蛋白辨认和切除损伤 DNA部位，切除后留下的空隙，则由 DNA-pol δ 及 ε 加以修复。
E.coli的 切除修复方式
UvrA UvrB
UvrC
OH P
DNA聚合酶 Ⅰ
OH P
DNA连接酶 ATP
（三）重组修复（ recombination repairing）
当 DNA分子的损伤面较大，还来不及修复完善就进行复制时，损伤部位因无模板指引，复制出来的新子链会出现缺口，这时，就靠重组蛋白 RecA的核酸酶活性将另一股健康的母链与缺口部分进行交换，以填补缺口。
损伤链移到己完成复制的链上，如果损伤又只发生在双链 DNA中的一股单链，则下一轮的复制损伤链就只占 DNA的 1／ 4，不断复制后，其比例就越来越低，称为把损伤链,稀释,掉。
重组修复
（四） SOS修复是一类应急性的修复方式。由于 DNA损伤广泛至难以继续复制，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 。
特点：反应特异性低，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保留的错误会较多，引起较广泛、长期的突变。
