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1、 第二章第二章DNADNA的复制、损伤与修复的复制、损伤与修复lDNADNA是是由由四四种种脱脱氧氧核核糖糖核核酸酸所所组组成成的的长长链大分子，是遗传信息的携带者。链大分子，是遗传信息的携带者。l生生物物体体的的遗遗传传信信息息就就贮贮存存在在DNADNA的的四四种种脱氧核糖核酸的排列顺序中。脱氧核糖核酸的排列顺序中。lDNADNA通通过过复复制制将将遗遗传传信信息息由由亲亲代代传传递递给给子子代代；通通过过转转录录和和翻翻译译，将将遗遗传传信信息息传传递递给给蛋蛋白白质质分分子子，从从而而决决定定生生物物的的表表现现型型。DNADNA的的复复制制、转转录录和和翻翻译译过过程程就就构构成成了
2、了遗遗传学的中心法则传学的中心法则。l在在RNARNA病病毒毒中中，其其遗遗传传信信息息贮贮存存在在RNARNA分分子子中中。因因此此，在在这这些些生生物物体体中中，遗遗传传信信息息的的流流向向是是RNARNA通通过过复复制制，将将遗遗传传信信息息由由亲亲代代传传递递给给子子代代，通通过过反反转转录录将将遗遗传传信信息息传传递递给给DNADNA，再再由由DNADNA通通过过转转录录和和翻翻译译传传递递给给蛋蛋白白质质，这这种种遗遗传传信信息息的的流流向向就就丰富了丰富了中心法则的内容中心法则的内容。DNA dependent DNA polymeraseDDDPDNA dependent RN
3、A polymeraseDDRPRNA dependent RNA polymeraseRDRPRNA dependent DNA polymeraseRDDPDNADNA复制的基本过程：复制的基本过程：l复制的起始复制的起始(initiation)lDNA链的延伸链的延伸(elongation)l复制的终止复制的终止(termination)第一节第一节 DNA DNA复制概况复制概况一、一、DNADNA复制的半保留性复制的半保留性 lDNADNA在在复复制制时时，以以亲亲代代DNADNA的的每每一一股股作作模模板板，合合成成完完全全相相同同的的两两个个双双链链子子代代DNADNA，每每个个
4、子子代代DNADNA中中都都含含有有一一股股亲亲代代DNADNA链链，这这种种现现象象称称为为DNADNA的的半半保保留留复复制制(semi-(semi-conservative replication)conservative replication)。lDNADNA以以 半半 保保 留留 方方 式式 进进 行行 复复 制制，是是 在在 19581958年年 由由 M.M.Meselson Meselson 和和 F.F.Stahl Stahl 所所完完成成的的实实验验所所证证明明。该该实实验验首首先先将将大大肠肠杆杆菌菌在在含含1515N N的的培培养养基基中中培培养养约约十十五五代代，使
5、使其其DNADNA中中的的碱碱基基氮氮均均转转变变为为1515N N。将将大大肠肠杆杆菌菌移移至至只只含含1414N N的的培培养养基基中中同同步步培培养养一一代代、二二代代、三三代代。分分别别提提取取DNADNA，作密度梯度离心，可得到下列结果：，作密度梯度离心，可得到下列结果：二、复制起点的结构特征二、复制起点的结构特征lDNADNA在在复复制制时时，需需在在特特定定的的位位点点起起始始，这这是是一一些些具具有有特特定定核核苷苷酸酸排排列列顺顺序序的的片片段段，即复制起始点（复制子）。即复制起始点（复制子）。3个连续的13bp序列，富含AT反向重复出现四次9bp序列酵母自主复制序列在原核生
6、物中，复制起始点通常为一个，在原核生物中，复制起始点通常为一个，而在真核生物中则为多个。而在真核生物中则为多个。三、三、RNARNA引物引物 参参与与DNADNA复复制制的的DNADNA聚聚合合酶酶，必必须须以以一一段段具具有有33端端自自由由羟羟基基（3-OH3-OH）的的RNARNA作作为为引引物物(primer)(primer)，才能开始聚合子代，才能开始聚合子代DNADNA链。链。RNARNA引引物物的的大大小小，通通常常为为1 11010个个核核苷苷酸酸。RNARNA引引物物的的碱碱基基顺顺序序，与与其其模模板板DNADNA的的碱碱基基顺序相配对。顺序相配对。四、双向复制四、双向复制
7、 DNADNA复复制制时时，以以复复制制起起始始点点为为中中心心，向向两两个个方方向向进进行行复复制制。但但在在低低等等生生物物中中，也可进行单向复制（如滚环复制）。也可进行单向复制（如滚环复制）。五、五、DNADNA的半不连续复制的半不连续复制l由由于于DNADNA聚聚合合酶酶只只能能以以5353方方向向聚聚合合子子代代DNADNA链链，即即模模板板DNADNA链链的的方方向向必必须须为为3535。因因此此，分分别别以以两两条条亲亲代代DNADNA链链作作为为模模板板聚聚合合子子代代DNADNA链链时时的的方方式是不同的。式是不同的。l以以3535方方向向的的亲亲代代DNADNA链链作作模模
8、板板的的子子代代链链在在复复制制时时基基本本上上是是连连续续进进行行的的，其其子子代代链链的的聚聚合合方方向向为为5353，这这一一条条链链被被称称为为前前导导链链(leading(leading strand)strand)。而而以以5353方方向向的的亲亲代代DNADNA链链为为模模板板的的子子代代链链在在复复制制时时则则是是不不连连续续的的，其其链链的的聚聚合合方方向向也也是是5353，这这条条链链被被称称为为滞滞后链后链(lagging strand)(lagging strand)。l由由于于亲亲代代DNADNA双双链链在在复复制制时时是是逐逐步步解解开开的的，因因此此，滞滞后后链链
9、的的合合成成也也是是一一段段一一段段的的。DNADNA在在复复制制时时，由由滞滞后后链链所所形形成成的的一一些些子子代代 DNADNA短短 链链 称称 为为 冈冈 崎崎 片片 段段(Okazaki(Okazaki fragment)fragment)。l冈冈崎崎片片段段的的大大小小，在在原原核核生生物物中中约约为为1000100020002000个个核核苷苷酸酸，而而在在真真核核生生物物中中约为约为100100个核苷酸。个核苷酸。半不半不连续连续复制复制 Semi-discontinuous replication 冈冈崎片段崎片段Okazaki fragmentLeading strandL
10、agging strandReplication fork前导链的连续复制前导链的连续复制和和滞后链的不连续复制滞后链的不连续复制在生物界是有在生物界是有普遍性的，因而称之为普遍性的，因而称之为DNA的半不连续复制的半不连续复制。The short discontinuous segments are called The short discontinuous segments are called Okazaki FragmentsOkazaki Fragments.In In bacteriabacteria they are approximately they are approxi
11、mately 1000 1000 ntnt in in length;in length;in eukaryoteseukaryotes they are approximately they are approximately 200 200 ntnt in length.in length.图2-7DNA双螺旋的解旋 第二节参与第二节参与DNADNA复制的酶、相复制的酶、相关蛋白及酶学机制关蛋白及酶学机制在在细细胞胞中中，双双螺螺旋旋DNADNA复复制制是是DNADNA聚聚合合酶酶催催化化的的酶酶促促反反应应过过程程。但但DNADNA聚聚合合酶酶只只能能延延长长已已有有的的DNADNA或或
12、RNARNA引引物物链链，不不能能从从头头起起始始DNADNA链链的的合合成成；而而且且在在DNADNA复复制制中中形形成成特特殊殊的的复复制制叉叉（或或生生长长叉叉）结结构构区区内内，DNADNA双双螺螺旋旋中中的的两两条条链链缠缠绕绕在在一一起起，要要拷拷贝贝每每一一条条链链都都必必须须将将双双螺螺旋旋DNADNA解解旋旋（unwindingunwinding），并并释释放放或或吸吸收收由由此此产产生生的扭力，这就要求双螺旋和超螺旋的解的扭力，这就要求双螺旋和超螺旋的解旋与重新形成，旋与重新形成，DNADNA聚合酶不能完成这一过聚合酶不能完成这一过程；在不连续合成中形成短的冈崎片段程；在不
13、连续合成中形成短的冈崎片段（Okazaki fragmentOkazaki fragment）的连接也是）的连接也是DNADNA聚合聚合酶无法完成的。实际上，在复制叉处进行酶无法完成的。实际上，在复制叉处进行复杂的复杂的DNADNA复制过程中，需要许多相关的酶复制过程中，需要许多相关的酶和蛋白因子参与。主要有：和蛋白因子参与。主要有：DNADNA聚合酶聚合酶；DNADNA解旋酶解旋酶；使使DNADNA双股链在复制叉双股链在复制叉解开的解开的解链酶解链酶；在在DNADNA复制前防止解开复制前防止解开的的DNADNA单链局部退火的单链局部退火的DNADNA结合蛋白结合蛋白；合合成成RNARNA引物
14、的引物的引发酶引发酶；除去除去RNARNA引物的酶；引物的酶；使冈崎片段使冈崎片段共价连接的共价连接的DNADNA连接酶连接酶等重要的酶与等重要的酶与蛋白因子。蛋白因子。一、DNA聚合酶与脱氧核糖核苷酸的聚合（一）（一）DNADNA聚合酶聚合酶种类和生理功能：种类和生理功能：l在在原原核核生生物物中中，目目前前发发现现的的DNADNA聚聚合合酶酶有有五五种种，分分别别命命名名为为DNADNA聚聚合合酶酶（pol pol），DNADNA聚聚合合酶酶（polpol），DNADNA聚聚合合酶酶（polpol），DNADNA聚聚合合酶酶（pol pol），DNADNA聚聚合合酶酶（polpol）前前三
15、三种种酶酶都都属属于于具具有有多多种种酶酶活活性性的的多多功功能能酶酶。参参与与DNADNA复制的主要是复制的主要是polpol和和polpol。lpolpol为为单单一一肽肽链链的的大大分分子子蛋蛋白白质质,可可被被特特异异的的蛋蛋白白酶酶水水解解为为两两个个片片段段，其其中中的的大大 片片 段段 称称 为为 Klenow Klenow fragmentfragment，具具 有有5353聚聚合合酶酶活活性性和和3535外外切切酶酶的的活活性。性。lpol pol 由由十十种种亚亚基基组组成成，其其中中亚亚基基具具有有5353聚聚合合DNADNA的的酶酶活活性性，因因而而具具有有复复制制DN
16、ADNA的的功功能能；而而亚亚基基具具有有3535外外切切酶酶的的活活性性，因因而而与与DNADNA复复制制的的校校正正功功能有关。能有关。lDNA聚合酶和是在1999年才被发现的，它涉及DNA的错误倾向修复(errorpronerepair)。当DNA受到较严重损伤时，即可诱导产生这两个酶，使修复缺乏准确性（accuracy)，因而出现高突变率。高突变率虽会杀死许多细胞，但至少可以克服复制障碍，使少数突变的细胞得以存活。原核生物中的三种原核生物中的三种DNADNA聚合酶聚合酶l在在真真核核生生物物中中，目目前前发发现现的的DNADNA聚聚合合酶酶有有五五种种，分分别别命命名名为为DNADNA
17、聚聚合合酶酶（pol pol），DNADNA聚聚合合酶酶（polpol），DNADNA聚聚合合酶酶（polpol），DNADNA聚聚 合合 酶酶（pol pol），），DNADNA聚合酶聚合酶（polpol）。）。l其其中中，参参与与染染色色体体DNADNA复复制制的的是是polpol（延延长长滞滞后后链链）和和polpol（延延长长前前导导链链），参参与与线线粒粒体体DNADNA复复制制的的是是polpol，polpol与与DNADNA损损伤伤修修复复、校校读读和和填填补补缺缺口口有有关关，polpol只只在在其其他他聚聚合合酶酶无无活活性性时时才才发发挥挥作作用。用。（二）（二）DNADN
18、A复制的保真性：复制的保真性：l为为了了保保证证遗遗传传的的稳稳定定，DNADNA的的复复制制必必须须具具有有高高保保真真性性。DNADNA复复制制时时的的保保真真性性主主要要与与下列因素有关：下列因素有关：1 1遵守严格的碱基配对规律；遵守严格的碱基配对规律；2 2DNADNA聚合酶在复制时对碱基的正确选择；聚合酶在复制时对碱基的正确选择；3 3对对复复制制过过程程中中出出现现的的错错误误及及时时进进行行校校正。正。二、二、DNADNA解旋酶与解旋酶与DNADNA超螺旋的超螺旋的松驰松驰天然DNA的负超螺旋虽然有利于DNA的解旋，但随着复制的进行，复制叉前方亲代DNA中仍积累巨大的张力，因此
19、复制中需要DNA解旋酶去除解链酶的解链产生的扭曲张力。大肠杆菌中的DNA解旋酶（gyrase）又 称 拓 扑 异 构 酶（topoisomerase），由四个亚基组成四聚体22，而真核的呈二聚体。DNA解旋酶的作用机制如图所示。Action of topoisomerase at the replication forkTopoisomerase rapidly remove the positive supercoils accumulate in front of the replication fork.DNA解旋酶每作用一次产生两个负超螺旋，因此可以消除复制叉向前移动所产生的正超螺旋，
20、并且复制完的两个子代DNA双链的分离也需要DNA解旋酶的催化功能。当加入DNA解旋酶的抑制剂如香豆霉素（Coumermycin），新生霉素（novobiocin），萘啶酮酸（nalidixic acid）等时均能抑制细菌DNA的合成。可见DNA解旋酶是DNA复制所必不可少的。DNA解旋酶对真核细胞有丝分裂也是非常重要，如果不解开缠绕，在任何细胞周期中姐妹染色体都将无法分离。此外，DNA解旋酶在转录、同源重组及可移动元件的转座中都起重要作用。三、三、DNADNA解链酶和单链结合蛋白解链酶和单链结合蛋白复制过程中，复制叉在不断前进，复制叉前方的亲代DNA就需不断解链，为使复制能够顺利进行，就必须防
21、止DNA单链的链间或链内局部“退火”并保证其完整性与伸展性，使单链DNA处于稳定的状态。承担上述任务是DNA解链酶（DNA helicase）和单链DNA结合蛋白（single-strand binding protein,SSB）。DNA解链酶是利用ATP水解获得的能量来打断氢键，解开双链DNA并在DNA分子上沿一定方向移动的一类酶的总称（又称解螺旋酶）。原核生物大肠杆菌为DnaB和Rep蛋白，DnaB结合于滞后链模板DNA helicases separate the two strands of the double helixDNADNA双螺旋的解旋双螺旋的解旋沿53方向前进，Rep蛋
22、白结合于前导链模板沿35方向移动（见图）。真核生物病毒中大T-抗原（T-antigen,T-ag）具解开双链的功能。此外也在一些真核生物中分离纯化出多种DNA解链酶，其功能还在鉴定证实中。Binding of SSB to DNA inhibits the formation of intramolecular base pairsDNADNA双螺旋的解旋双螺旋的解旋 单链DNA结合蛋白（SSB）在细胞内行使很多涉及单链区域稳定性的功能（如同源重组）。在复制中，这包括稳定熔解起点，维持解旋酶活性，从DNA模板上去除二级结构以及抑制核酸酶活性。即SSB与DNA单链相结合，既防止核酸水解酶的作用，
23、又避免解开的单链DNA重新缔合形成双链，从而保持一种伸展状态，以保证复制顺利进行。在中SSB为 四聚体，对单链DNA有很高的亲和性，但对双链DNA和RNA没有亲合力。它们与DNA结合时有协同作用，即有一个SSB与DNA结合时，就会有更多的SSB迅速结合上去扩展分布整个DNA单链，将DNA包被上蛋白聚合体。SSB有某些碱基组成的倾向性，但很少有顺序专一性结合，可以周而复始地循环使用，在DNA的修复和重组中都有SSB的参与。单链单链DNADNA结合蛋白结合蛋白单链单链DNADNA结合蛋白（结合蛋白（single strand binding single strand binding protei
24、n,SSBprotein,SSB）又称螺旋反稳蛋白（）又称螺旋反稳蛋白（HDPHDP）。）。这是一些能够与单链这是一些能够与单链DNADNA结合的蛋白质因子。结合的蛋白质因子。其作用为：其作用为：使解开双螺旋后的使解开双螺旋后的DNADNA单链能够单链能够稳定存在，即稳定单链稳定存在，即稳定单链DNADNA，便于以其为模板，便于以其为模板复制子代复制子代DNADNA；保护单链保护单链DNADNA，避免核酸酶，避免核酸酶的降解。的降解。四、引发酶与引物RNA的合成已经证明，DNA的半不连续复制中，DNA聚合酶不能从头起始新的DNA链合成，只能在已有引物的3端向前延伸。迄今为止，人们所发现的引物大
25、多为一段RNA，其长度和序列随着基因组的种类而表现出不同，在大多数情况下为110个核苷酸（表2-3）。基因组引物长度主要的引物序列*T7T4174大肠杆菌海胆果蝇多瘤病毒动物151515大约1018大约9大约10大约9pppApCpC/ApN12(N主要为A和C)pppApCpN3pppApN04pppAC(N)710(p)ppA/GpN7pppA(N)79pppA/GpN9末测定表5-3 DNA复制中滞后链前体片断的RNA引物催化RNA引物（RNA primer）合成的酶叫引发酶（primerase）。引发酶识别DNA单链模板特异顺序，以核糖核苷三磷酸为底物合成寡聚核苷酸产生3-OH，为DN
26、A聚合酶起始生成磷酸二酯键提供条件。引物与典型的RNA（如mRNA）不同，它们在合成以后并不与模板分离，而是以氢键与模板结合。的引发酶是一条肽链，分子量为60 000，每个细胞中有50100个分子，它是由大肠杆菌dnaG基因所编码的。该酶单独存在时是相当不活泼的，只有在与有关蛋白质相互结合成为一个复合体时才有活性。这种复合体就称为引发体。机体选择RNA作为引物，其原因可能在于减少致死突变（lethal mutation）。DNA复制中，从模板拷贝最初的几个核苷酸时，由于碱基堆集力很弱，其氢键结合能力也很弱，因而碱基对的错配几率就大很多，加上这几个核苷酸还没有与模板形成稳定的双链结构，DNA聚合
27、酶35校对功能很难发挥作用。因此为了保证生物DNA复制的保真度，采用以RNA为引物这种过渡形式，既为DNA聚合酶提供3-羟基端，又容易被 DNA聚合酶识别而停止其聚合作用，且便于DNA聚合酶进行切口平移。切口平移过程中发生错误的几率极少，因为DNA聚合酶（pol I）有35外切核酸酶活性，具有校对功能。五、五、DNADNA连接酶连接酶 DNADNA连连接接酶酶(DNA(DNA ligase)ligase)可可催催化化两两段段DNADNA片片段段之之间间磷磷酸酸二二酯酯键键的的形形成成，而而使使两两段段DNADNA连接起来。连接起来。lDNADNA连连接接酶酶催催化化的的条条件件是是：需需一一段
28、段DNADNA片片段段具具有有3-OH3-OH，而而另另一一段段DNADNA片片段段具具有有5-Pi5-Pi基基；未未封封闭闭的的缺缺口口位位于于双双链链DNADNA中中，即即其其中中有有一一条条链链是是完完整整的的；需需要要消消耗耗能能量量，在在原原核核生生物物中中由由NADNAD+供供能能，在在真真核核生生物物中中由由ATPATP供供能。能。第三节第三节 DNA复制的几种主要方式复制的几种主要方式 DNA复制通常是从双螺旋的特定位置复制原点（ori）开始，一般是富含A-T的区段，该区段的双链DNA具有较强的呼吸作用（breathing），是经常瞬间处于打开形成单链的区段（frequentl
29、y opening region），由此产生的瞬时单链与SSB蛋白（single-stranded DNA binding protein，SSB）结合，对复制的起始十分重要。原核生物的复制原点通常为一个，而真核生物则有多个特定的复制原点。图2-17DNA复制的不同方式 依DNA合成的起始方式，复制可分为从新起始与共价延伸两种类型：一、复制叉式复制 二、环状环状DNA双链的复制双链的复制 一、复制叉式复制一、复制叉式复制(一一)、复制的起始、复制的起始 DNA复制的起始阶段，由下列两步构成。复制的起始阶段，由下列两步构成。1、预引发：、预引发：（1）解旋解链，形成复制叉：）解旋解链，形成复制叉
30、：l 由由拓拓扑扑异异构构酶酶和和解解链链酶酶作作用用，使使DNA的的超超螺螺旋旋及及双双螺螺旋旋结结构构解解开开，碱碱基基间间氢氢键键断裂，形成两条单链断裂，形成两条单链DNA。单链。单链DNAl结结合合蛋蛋白白（SSB）结结合合在在两两条条单单链链DNA上上，形形成成复复制制叉叉。DNA复复制制时时，局局部部双双螺螺旋旋解解开开形形成成两两条条单单链链，这这种种叉叉状状结结构构称称为为复复制制叉叉。对对于于双双向向复复制制而而言言，形形成成的的两两个个复复制制叉叉向向相相反反方方向向行行进进，每每个个复复制叉上的两条制叉上的两条DNA链均被拷贝。链均被拷贝。图5-12复制叉（箭头表示子链总
31、的生长方向）（2 2）引发体组装：）引发体组装：l由由蛋蛋白白因因子子（如如dnaBdnaB等等）识识别别复复制制起起始始点点，并并与与其其他他蛋蛋白白因因子子以以及及引引物物酶酶一一起起组装形成引发体。组装形成引发体。2 2、引发：、引发：在引物酶的催化下，以在引物酶的催化下，以DNADNA为模板，合成为模板，合成一段短的一段短的RNARNA片段，从而获得片段，从而获得33端自由羟端自由羟基（基（3-OH3-OH）。）。（二）、复制的延长（二）、复制的延长1 1、聚合子代、聚合子代DNADNA：由由DNADNA聚合酶催化，以聚合酶催化，以3535方向的亲代方向的亲代DNADNA链为模板，从链
32、为模板，从5353方向聚合子方向聚合子代代DNADNA链。在原核生物中，参与链。在原核生物中，参与DNADNA复制复制延长的是延长的是DNADNA聚合酶聚合酶；而在真核生物中，；而在真核生物中，是是DNADNA聚合酶聚合酶(延长滞后链延长滞后链)和和（延长（延长前导链）前导链）。2 2、引发体移动：、引发体移动：引发体向前移动，解开新的局部双螺旋，引发体向前移动，解开新的局部双螺旋，形成新的复制叉，滞后链重新合成形成新的复制叉，滞后链重新合成RNARNA引引物，继续进行链的延长。物，继续进行链的延长。（三）、复制的终止（三）、复制的终止1 1、去除引物，填补缺口：、去除引物，填补缺口：在原核生
33、物中，由在原核生物中，由DNADNA聚合酶聚合酶来水解去除来水解去除RNARNA引物，并由该酶催化延长引物缺口处引物，并由该酶催化延长引物缺口处的的DNADNA，直到剩下最后一个磷酸酯键的缺，直到剩下最后一个磷酸酯键的缺口。而在真核生物中，口。而在真核生物中，RNARNA引物的去除，引物的去除，由一种特殊的核酸酶来水解，而冈崎片由一种特殊的核酸酶来水解，而冈崎片段仍由段仍由DNADNA聚合酶来延长。聚合酶来延长。2 2、连接冈崎片段：、连接冈崎片段：l在在DNADNA连接酶的催化下，形成最后一个磷连接酶的催化下，形成最后一个磷酸酯键，将冈崎片段连接起来，形成完酸酯键，将冈崎片段连接起来，形成完
34、整的整的DNADNA长链。长链。二、二、环状环状DNA双链的复制双链的复制(1)型型 (2)滚环型滚环型(rolling circle)(3)D-环型环型(D-loop)大肠杆菌质粒大肠杆菌质粒DNADNA双向复制双向复制的模式与实验验证。的模式与实验验证。左：左：形复制模式图；右：形复制模式图；右：3 3H H标记质粒标记质粒DNADNA合成图。合成图。（一）环状（一）环状DNADNA双链的双链的型型复制复制（二）、（二）、滚环式复制：滚环式复制：环状环状DNADNA可以通过这种方式产生可以通过这种方式产生多单元单链多单元单链DNADNA双链环状双链环状DNA复制起始于某复制起始于某一条一条
35、DNA链上链上新生新生DNA链延伸，链延伸，不断取代母链不断取代母链复制一圈，产生复制一圈，产生单位长度的线性单位长度的线性DNA链链若复制继续进行，若复制继续进行，可产生多单元线可产生多单元线性性DNA链链单向复制单向复制的特殊方式X174的双链DNA复制型(RF)滚环式复制滚环式复制首先在动物首先在动物首先在动物首先在动物线粒体线粒体线粒体线粒体中被发现。中被发现。中被发现。中被发现。一条短一条短一条短一条短RNARNA与一条与一条与一条与一条DNADNA互补，取互补，取互补，取互补，取代了该区域原来的互补的代了该区域原来的互补的代了该区域原来的互补的代了该区域原来的互补的DNADNA链，
36、链，链，链，使得两条链的合成高度不对称，一使得两条链的合成高度不对称，一使得两条链的合成高度不对称，一使得两条链的合成高度不对称，一条链上迅速合成出互补链，另一条条链上迅速合成出互补链，另一条条链上迅速合成出互补链，另一条条链上迅速合成出互补链，另一条链则为游离的单环。链则为游离的单环。链则为游离的单环。链则为游离的单环。（三）（三）D loops单向复制单向复制的特殊方式的特殊方式 双链环状DNA中的一条前导链已经引发并开始合成，与其模板形成双链结构，而另一条亲本链则被前导链置换出来成为单链状态。这种由一条单链和一条双链组成的三元泡状结构，叫做置换噜噗或D-噜噗（displacement l
37、oop）。只有前导链将另一条亲本链（即滞后链的模板）的特别序列置换出来成为单链形式，才能产生滞后链前体的引发并合成其互补链。线粒体DNA的复制就是以这种有趣的不对称方式进行复制，并由真核DNA聚合酶负责。三、真核生物三、真核生物DNADNA的复制特点的复制特点 (一）、真核生物有一）、真核生物有多处复制起始点多处复制起始点。（二）、真核生物（二）、真核生物复制子相对较小复制子相对较小，为，为40-10040-100千千碱基对。在全部完成复制之前，各个起始点上碱基对。在全部完成复制之前，各个起始点上DNADNA的复制不能再开始。的复制不能再开始。DNADNA复制复制只在只在S S期进行期进行。真
38、核生物真核生物DNA的的复制子复制子被称为被称为ARS(autonomously replicating sequences)，长约长约150bp左右，包括数个复制起始必左右，包括数个复制起始必需的保守区。需的保守区。真核生物真核生物DNA复制的起始需要复制的起始需要起始点识别复合物起始点识别复合物（origin recognition complex，ORC）参与，）参与，ORC结合于结合于ARS，它是由，它是由6种蛋白质组成的启动复合物。种蛋白质组成的启动复合物。（三）、真核生物（三）、真核生物DNA复制叉的复制叉的移动速度大约只有移动速度大约只有50bp/秒，还不到秒，还不到大肠杆菌的大
39、肠杆菌的1/20。因此，人类。因此，人类DNA中中每隔每隔30,000-300,000bp就有一个复制就有一个复制起始位点。起始位点。（四）、（四）、DNA聚合酶聚合酶 真真核核生生物物DNA聚聚合合酶酶有有15种种以以上上，在在哺哺乳乳动动物物细细胞胞中中主主要要有有5种种DNA聚聚合合酶酶，分分别别称称为为DNA聚聚合合酶酶、和和。真核生物真核生物DNA聚合酶的特性比较聚合酶的特性比较性质性质DNA聚合酶聚合酶DNA聚合酶聚合酶DNA聚合酶聚合酶DNA聚合酶聚合酶DNA聚合酶聚合酶亚基数亚基数4122-31在在细细胞胞内内分布分布核内核内核内核内线粒体线粒体核内核内核内核内(?)功能功能D
40、NA引物合引物合成成损伤修损伤修复复线粒体线粒体DNA复制复制主要主要DNA复复制酶制酶DNA复复制制(?)35外外切切无无无无有有有有有有53外外切切无无无无无无无无无无DNA聚合酶聚合酶主要参与主要参与引物合成引物合成。DNA聚合酶聚合酶活性水平稳定，主要在活性水平稳定，主要在DNA损损伤的修复伤的修复中起作用。中起作用。DNA聚合酶聚合酶主要负责主要负责DNA的复制。的复制。DNA聚合酶聚合酶与后随链合成有关，在与后随链合成有关，在DNA合合成过程中核苷切除以及碱基的切除修复中成过程中核苷切除以及碱基的切除修复中起着重要的作用起着重要的作用。DNA聚合酶聚合酶 在线粒体在线粒体DNA的复
41、制中发挥作的复制中发挥作用。用。真核生物中还存在真核生物中还存在、和和 等等几种几种DNA聚合酶，它们承担着聚合酶，它们承担着修修复损伤复损伤的功能，但这些修复酶的的功能，但这些修复酶的忠实性都很低。忠实性都很低。（五）真核生物（五）真核生物端粒端粒和和端粒酶端粒酶：l端端粒粒（telomeretelomere）是是指指真真核核生生物物染染色色体体线线性性DNADNA分分子子末末端端的的结结构构部部分分，通通常常膨膨大大成成粒粒状状。其其共共同同的的结结构构特特征征是是由由一一些些富富含含G G、C C的的短短重重复复序序列列构构成成，可可重重复复数数十十次至数百次。次至数百次。l线线性性DN
42、ADNA在在复复制制完完成成后后，其其末末端端由由于于引引物物RNARNA的的水水解解而而可可能能出出现现缩缩短短。故故需需要要在在端端粒粒酶酶（telomerasetelomerase）的催化下，进行延长反应。）的催化下，进行延长反应。l端端粒粒酶酶是是一一种种参参与与真真核核生生物物染染色色体体末末端端的的端端粒粒DNADNA复复制制的的RNA-RNA-蛋蛋白白质质复复合合体体，其其本本质质是是一一种种逆逆转转录录酶酶，它它可可以以其其RNARNA为为模模板板，通通过过逆逆转转录录过程对末端过程对末端DNADNA链进行延长。链进行延长。端粒酶端粒酶(telomerase)的作用机制的作用机
43、制 被延长的TG链可以作为合成冈崎片段的模板，使端粒形成双链。端粒酶以自身的RNA作为端粒DNA复制的模版，合成出富含脱氧单磷酸鸟苷Deoxyguanosine Monophosphate(dGMP)的DNA序列后添加到染色体的末端并与端粒蛋白质结合，从而稳定了染色体的结构。细胞发生癌变后，端粒酶活性比正常时明显增高，端粒DNA这种渐进性缩短趋势受到阻碍，使正常细胞转化成具有无限分裂能力的永生化恶性细胞。端粒酶的活性是癌细胞的一种标志，可以作为癌症治疗中的一个靶子。第四节第四节 DNA DNA损伤与修复损伤与修复l作为一种能决定生命状态存在和延续的生物大分子，DNA在遗传过程中必需保持高度的精
44、确性和完整性，而且这种性能是细胞中任何一种分子都无法与之相比的。尽管如此，在DNA复制过程中，仍难免会存在少量未被校正的差错。此外，DNA还会受到各种物理和化学因素的损伤。这些差错和损伤如果不被修复，将会产生严重的细胞学后果，因为DNA分子本身是无法替代的，一个细胞通常只有1-2套基因组DNA，而不像蛋白质和RNA分子那样，能利用DNA中的遗传信息不断产生新的分子来替代受损伤的分子。所以，维护DNA遗传信息的稳定性对生物细胞来说是极其重要的。在漫长的生命进化过程中，生物体不仅演化出能纠正复制错误的“校正”系统，而且在细胞中形成了多种多样的DNA修复系统，能对各种DNA的损伤进行修复，恢复DNA
45、正常的超螺旋结构，以保持每个世代遗传信息的稳定性。极少数不能修复的DNA损伤将会导致基因的突变，其中一部分突变将有利于物种的进化，而另一部分突变将导致细胞发生变异和死亡。一、一、DNADNA的损伤的损伤l由自发的或环境的因素引起由自发的或环境的因素引起DNADNA一级结构一级结构的任何异常的改变称为的任何异常的改变称为DNADNA的损伤的损伤。l常见的常见的DNADNA的损伤包括的损伤包括碱基脱落碱基脱落、碱基修碱基修饰、交联，链的断裂，重组饰、交联，链的断裂，重组等。等。（一）引起（一）引起DNADNA损伤的因素：损伤的因素：1 1自发因素：自发因素：1)1)脱嘌呤和脱嘧啶脱嘌呤和脱嘧啶 在
46、在生生理理条条件件下下，DNADNA分分子子通通过过自自发发水水解解经经常常发发生生脱脱嘧嘧啶啶和和脱脱嘌嘌呤呤反反应应，使使嘌嘌呤呤碱碱和和嘧嘧啶啶碱碱从从DNADNA分分子子的的脱脱氧氧核核糖糖-磷磷酸酸骨骨架架上上脱脱落落下下来来。LindahlLindahl估估计计，一一个个哺哺乳乳动动物物细细胞胞在在3737条条件件下下，2020小小时时内内通通过过自自发发水水解解可可从从DNADNA链链上上脱脱落落约约1000010000个嘌呤碱和个嘌呤碱和500500个嘧啶碱。个嘧啶碱。2 2）碱基的脱氨基作用）碱基的脱氨基作用 碱基中的胞嘧啶（C）、腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）都含有环外氨基，氨
47、基有时会自发脱落，从而使胞嘧啶变为尿嘧啶（U），腺嘌呤变为次黄嘌呤（I）,鸟嘌呤变为黄嘌呤（X）。例如，胞嘧啶自发水解脱氨变成尿嘧啶后，如果未被修复，产生的尿嘧啶会在接下来的复制中与腺嘌呤配对，从而产生点突变。3 3）碱基的互变异构）碱基的互变异构 DNA中的四个碱基都可能自发地使氢原子改变位置而产生互变异构体，从而使碱基的配对形式发生改变。如腺嘌呤的稀有互变异构体与胞嘧啶配对，胸腺嘧啶的稀有互变异构体与鸟嘌呤配对。当DNA复制时，如果模板链上存在着这样形式的互变异构体，在子链上就可以产生错误，造成DNA损伤。4 4）细胞正常代谢产物对）细胞正常代谢产物对DNADNA的损伤的损伤 在所有需氧细
48、胞中，细胞呼吸作用产生的副产物超氧阴离子（O2-）和H2O2非常活跃，由于这些超氧化物、羟基自由基（OH）等活性氧的存在，导致DNA在正常条件下发生氧化损伤。2 2物理因素物理因素：l由由紫紫外外线线、电电离离辐辐射射、X X射射线线等等引引起起的的DNADNA损损伤伤。其其中中，X X射射线线和和电电离离辐辐射射常常常常引引起起DNADNA链链的的断断裂裂，而而紫紫外外线线常常常常引引起起嘧嘧啶啶二二聚聚体体的的形形成成，如如TTTT，TCTC，CCCC等等二二聚聚体体。这这些些嘧嘧啶啶二二聚聚体体由由于于形形成成了了共共价价键键连连接接的的环环丁丁烷烷结结构构，因因而而会会引引起起复复制制
49、障障碍。碍。3 3化学因素：化学因素：(1)(1)脱氨剂脱氨剂：如：如亚硝酸与亚硝酸盐亚硝酸与亚硝酸盐，可，可加速加速C C脱氨基脱氨基生成生成U U，A A脱氨基生成脱氨基生成I I。(2)(2)烷烷基基化化剂剂：这这是是一一类类带带有有活活性性烷烷基基的的化化合合物物，可可提提供供甲甲基基或或其其他他烷烷基基，引引起起碱碱基基或或磷磷酸酸基基的的烷烷基基化化，甚甚至至可可引引起起邻邻近近碱基的交联。碱基的交联。(3)DNA(3)DNA加加合合剂剂：如如苯苯并并芘芘，在在体体内内代代谢谢后后生生成成四四羟羟苯苯并并芘芘，与与嘌嘌呤呤共共价价结结合合引引起起损伤。损伤。(4)(4)碱碱基基类类
50、似似物物：如如5-FU5-FU，6-MP6-MP等等，可可掺入到掺入到DNADNA分子中引起损伤或突变。分子中引起损伤或突变。(5)(5)断链剂断链剂：如过氧化物，含巯基化合：如过氧化物，含巯基化合物等，可引起物等，可引起DNADNA链的断裂。链的断裂。二、二、DNADNA损伤的修复损伤的修复 生物体内存在多种修复途径：生物体内存在多种修复途径：l光复活修复系统光复活修复系统l切除修复系统切除修复系统l重组修复系统重组修复系统l错配修复系统错配修复系统lSOSSOS修复系统修复系统等。等。DNA DNA分子的双螺旋结构是其损伤修复的分子的双螺旋结构是其损伤修复的重要基础，因为重要基础，因为DN