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1、第十二章第十二章 遗传信息的传递与表达遗传信息的传递与表达生生物物的的遗遗传传信信息息是是以以 DNA DNA 的的碱碱基基顺顺序序形形式式储储存存在在细细胞胞之之中中，而而生生物物遗遗传传信信息息最最终终要要以以蛋蛋白白质质的的形式表现出来。形式表现出来。生生物物机机体体的的遗遗传传信信息息以以密密码码由由亲亲代代传传递递给给子子代代。在在子子代代的的生生长长发发育育过过程程中中，遗遗传传信信息息自自DNADNA转转录录给给RNARNA，然然后后翻翻译译成成特特异异的的蛋蛋白白质质，以以执执行行各各种种生命功能，使子代表现出与亲代相似的遗传性状。生命功能，使子代表现出与亲代相似的遗传性状。中
2、心法则中心法则 在在遗遗传传信信息息传传递递过过程程中中，以以原原来来DNADNA分分子子为为模模板板合合成成出出相相同同分分子子的的过过程程称称为为复复制制(Replication)(Replication)。生生物物的的遗遗传传信信息息从从 DNADNA传传递递给给mRNAmRNA的的过过程称为转录程称为转录(Transcription)(Transcription)。根根据据mRNAmRNA链链上上的的遗遗传传信信息息合合成成出出具具有有特特定定氨氨基基酸酸顺顺序序的的蛋蛋白白质质肽肽链链的的过过程程，被被称称 为为 翻翻 译译(Translation)(Translation)和和 表
3、表 达达(Expression)(Expression)。在在某某些些情情况况下下RNARNA也也可可以以是是遗遗传传信信息息的的基基本本携携带带者者，例例如如RNARNA病病毒毒能能以以自自身身核核酸酸分分子子为为模板进行复制。模板进行复制。致致癌癌RNARNA病病毒毒还还能能通通过过逆逆 转转 录录(Reverse(Reverse transcription)transcription)的的 方方式式将将遗遗传传信信息息传传递递给给DNADNA。19581958年年CrickCrick将将生生物物遗遗传传信信息息的的这这种种传传递递方方式称为中心法则。式称为中心法则。第一节第一节 DNA
4、DNA的复制的复制 DNADNA是是遗遗传传信信息息的的载载体体，在在遗遗传传信信息息传传递递过过程程中中，决决定定其其结结构构特特异异性性的的遗遗传传信信息息只只能能来来自自DNADNA本本身身，因因此此必必须须由由原原来来存存在在的的分分子子为为模模板板来来合合成成新新的的分分子子，即即进进行行自自我我复复制制。DNADNA的的双双链链结结构构对对于于维维持持这这类类遗遗传传物物质质的的稳稳定定性性和和复复制制的准确性都是极为重要的。的准确性都是极为重要的。生生物物遗遗传传，实实际际上上是是通通过过亲亲代代DNADNA传传给给子子代代的的过过程程。因因此此DNADNA复复制制是是保保持持生
5、生物物种种群群遗遗传传性性状状稳稳定定性性的的基基本本分分子子机机制制，是是DNADNA最最重重要要的的生生物物功能之一。功能之一。一、一、DNADNA复制过程有关的酶复制过程有关的酶 在在DNADNA聚聚合合酶酶催催化化下下，DNADNA由由 四四种种脱脱氧氧核核糖糖核核苷苷三三磷磷酸酸dATPdATP、dGTPdGTP、dCTPdCTP和和dTTPdTTP聚聚合合而而成成。在在MgMg2+2+存存在在下下，DNADNA聚聚合合酶酶催催化化下下脱脱氧氧核核糖糖核核苷苷酸酸被被加加到到DNADNA链链的的末末端端，同时释放出无机焦磷酸。同时释放出无机焦磷酸。与与DNADNA聚合反应有关的酶包括
6、多种聚合反应有关的酶包括多种DNADNA聚聚合酶、合酶、DNADNA连接酶、拓扑异构酶及解螺旋连接酶、拓扑异构酶及解螺旋酶等。酶等。1 1，DNADNA聚合酶聚合酶 DNADNA聚合酶催化脱氧核糖核苷三磷酸的游离聚合酶催化脱氧核糖核苷三磷酸的游离33羟基与脱氧羟基与脱氧核糖核苷三磷酸核糖核苷三磷酸55 磷酸之间形成磷酸之间形成3,53,5磷酸二酯键磷酸二酯键并脱下焦磷酸。所需要的能量来自并脱下焦磷酸。所需要的能量来自-与与-磷酸基之间高能键磷酸基之间高能键的裂解。的裂解。DNADNA链由链由55向向33方向延长。方向延长。DNADNA聚合酶需要互补与聚合酶需要互补与DNADNA模板的小段模板的
7、小段RNARNA作引物。作引物。(1)(1)大肠杆菌大肠杆菌DNADNA聚合酶聚合酶 大大肠肠杆杆菌菌中中共共含含有有三三种种不不同同的的DNADNA聚聚合合酶酶，分分别别称称为为DNADNA聚聚合合酶酶I I、IIII和和IIIIII。DNADNA聚聚合合酶酶I I、IIII和和IIIIII均均具具有有5353聚聚合合酶酶活活性性和和3535核核酸酸外外切切酶酶活活性。性。在正常聚合条件下，在正常聚合条件下，3535外切酶活力受到抑制；外切酶活力受到抑制；若一旦出现错配碱基时，聚合反应立即停止，由若一旦出现错配碱基时，聚合反应立即停止，由3535外切酶迅速除去错误进入的核苷酸，然后外切酶迅速
8、除去错误进入的核苷酸，然后聚合反应才得以继续进行下去。聚合反应才得以继续进行下去。3535核酸外切核酸外切酶活力被认为起着校对的功能，它能够纠正聚合过酶活力被认为起着校对的功能，它能够纠正聚合过程中碱基的错配。程中碱基的错配。大肠杆菌大肠杆菌DNADNA聚合酶聚合酶I I的活性中心的活性中心 大肠杆菌大肠杆菌DNADNA聚合酶聚合酶I I的的5353核酸外切酶活力核酸外切酶活力 DNADNA聚合酶聚合酶I I尚尚具有具有5353核酸外切酶活核酸外切酶活力，它只作用力，它只作用于双链于双链DNADNA的碱的碱基配对部分。基配对部分。从从55末端水解末端水解下核苷酸或寡下核苷酸或寡核苷酸。核苷酸。
9、(2)(2)真核生物的真核生物的DNADNA聚合酶聚合酶 在在真真核核生生物物中中存存在在五五种种DNADNA聚聚合合酶酶，分分别别以以、和和来来命命名名。它它们们的的基基本本特特性性与与大大肠肠杆杆菌菌DNADNA聚聚合合酶酶相相似似均均以以四四种种脱脱氧氧核核糖糖核核苷苷三三磷磷酸酸为为底底物物，需需MgMg2+2+激激活活，聚聚合合时时必必须须有有模模板板和和3-OH3-OH末末端端的引物链存在，链的延长方向为的引物链存在，链的延长方向为5353。DNADNA聚聚合合酶酶不不能能以以完完整整的的双双链链DNADNA作作为为模模板板；将将DNADNA经经脱脱氧氧核核糖糖核核酸酸酶酶处处理理
10、后后形形成成切切口口或或缺缺口口即即能能成成为为有有效效的的模模板板。但但是是，真真核核生生物物的的DNADNA聚聚合合酶酶本本身身往往往往不不具具有有核核酸酸外外切切酶酶活活力力，可可能能由由另另外外的的酶酶在在DNADNA复制中起校正作用。复制中起校正作用。2 2，DNADNA连接酶（连接酶（ligaseligase）DNADNA聚聚合合酶酶只只能能催催化化多多核核苷苷酸酸链链的的延延长长反反应应，不不能能使使链链之之间间连连接接。而而DNADNA连连接接酶酶(DNA(DNA ligase)ligase)能能催催化化双双链链DNADNA切切口口处处的的55 磷磷酸酸基基和和33 羟羟基基生
11、生成成磷磷酸酸二二酯酯键键。大大肠肠杆杆菌菌和和其其他他细细菌菌的的DNADNA连连接接酶酶以以烟烟酰酰胺胺腺腺嘌嘌呤呤二二核核苷苷酸酸(NAD)(NAD)作作为为能能量量来来源源；动动物物细细胞胞和和噬噬菌菌体体的的连连接接酶酶则则以以腺腺苷三磷酸苷三磷酸(ATP)(ATP)作为能量来源。作为能量来源。反应分三步进行。首先反应分三步进行。首先由由NADNAD或或ATPATP与酶反应，与酶反应，形成腺苷酰化的酶形成腺苷酰化的酶(酶酶-AMPAMP复合物复合物)，其中，其中AMPAMP的的磷酸基与酶的赖氨酸的磷酸基与酶的赖氨酸的-氨基以磷酰胺键相结氨基以磷酰胺键相结合。然后酶将合。然后酶将AMP
12、AMP转移给转移给DNADNA切口处的切口处的55 磷酸，磷酸，以焦磷酸键的形式活化，以焦磷酸键的形式活化，形成形成AP-P-DNAAP-P-DNA。然后通。然后通过相邻链的过相邻链的33 OHOH对对活化的磷原子发生亲核活化的磷原子发生亲核攻击，生成攻击，生成3,53,5 磷酸二酯键，同时释放磷酸二酯键，同时释放出出AMPAMP 3 3，DNADNA引物酶引物酶 DNADNA新新链链合合成成前前需需要要先先合合成成一一段段与与DNADNA模模板板互互补补、约约 7 71010个个核核苷苷酸酸的的RNARNA引引物物，合合成成的的方方向向也也是是 5353走走向向，然然后后DNADNA聚聚合合
13、酶酶根根据据碱碱基基配配对对的的原原则则，从从RNARNA引引物物的的 33 OHOH端端开开始始合合成成新新的的DNADNA链链。催催化化RNARNA引引物物合合成成的的酶酶称称为为DNADNA引引物酶物酶(primase)(primase)。真核细胞真核细胞DNADNA引物酶由引物酶由 分子量分子量58 00058 000和和 49 49 000 000 的两个亚单位组成。的两个亚单位组成。DNADNA引物酶和引物酶和DNADNA多聚多聚酶酶紧密结合成一个复合体。紧密结合成一个复合体。4 4，与，与DNADNA解旋和解链有关的酶解旋和解链有关的酶 在在DNA DNA 复复制制过过程程中中，
14、由由于于复复制制叉叉的的移移动动速速度度较较快快，DNADNA的的双双螺螺旋旋不不断断解解开开，在在复复制制叉叉前前方方的的DNADNA双双链链会会出出现现过过度度的的正正超超螺螺旋旋甚甚至至打打结结现现象象，阻阻碍碍DNADNA的的继继续续复复制制，生生物物体体系系需需要要依依靠靠一一系系列列DNADNA解解旋旋解解链链酶酶来来不不断断消消除除产产生生的的正正超超螺螺旋旋，以以保保证证复复制的正常进行。制的正常进行。（1 1）拓扑异构酶）拓扑异构酶拓拓扑扑异异构构酶酶I I首首先先在在大大肠肠杆杆菌菌中中发发现现，只只能能消消除除负负超超螺螺旋旋，对对正正超超螺螺旋旋无无作作用用。真真核核生
15、生物物的的拓拓扑扑异异构构酶酶I I对对正正负负超超螺螺旋旋均均能能作作用用。除除消消除除超超螺螺旋旋外，拓扑异构酶还能引起外，拓扑异构酶还能引起DNADNA其他的拓扑转变。其他的拓扑转变。拓拓扑扑异异构构酶酶I I与与DNADNA结结合合时时，DNADNA的的一一条条链链断断裂裂，并并且且具具55 磷磷酸酸基基与与酶酶的的酪酪氨氨酸酸羟羟基基形形成成酯酯键键。随随后后使使原原来来断断裂裂的的DNADNA链链重重新新连连接接即即磷磷酸酸二二酯酯键键又又由由蛋蛋白白质质转转到到DNADNA。整整个个过过程程并并不不发发生生键键的的不不可逆水解，没有能量的丢失。可逆水解，没有能量的丢失。拓拓扑扑异
16、异构构酶酶IIII又又称称 DNADNA旋旋 转转 酶酶(gyrase)(gyrase)，它它 可可连连续续引引入入负负超超螺螺旋旋到到同同一一个个双双链链闭闭环环DNADNA分分子子中中去去，反反应应需需要要由由ATPATP供供给给能能量量。在在无无ATPATP存存在在时时，旋旋转转酶酶可可松松弛弛负负超超螺螺旋旋，但但不不作作用用于于正正超超螺旋。螺旋。（2 2）DNADNA解螺旋酶解螺旋酶(helicase)(helicase)这这类类酶酶能能通通过过水水解解ATPATP获获得得能能量量来来解解开开双双链链，每每解解开开一一对对碱碱基基需需要要水水解解2 2分分子子ATPATP成成ADP
17、ADP和和磷磷酸酸盐盐。分分解解ATPATP的的活活力力要要有有单单链链DNADNA的的存存在在。如如双双链链DNADNA中中有有单单链链末末端端或或缺缺口口，解解螺螺旋旋酶酶即即可可结结合合于于单单链链部部分分，然然后后向向双双链链方方向向移移动动。大大肠肠杆杆菌菌解解螺螺旋旋酶酶A A、B B和和C C 可可以以沿沿着着模模板板链链的的5353方方向向随随首首复复制制叉叉的的前前进进而而移移动动，而而reprep蛋蛋白白（也也属属于于一一种种解解螺螺旋旋酶酶）则则在在另另一一条条模模板板链链上上沿沿3535方方向向移移动动。这这两两种种解解螺螺旋旋酶酶的的配配合合作作用用推动着推动着DNA
18、DNA双链的解开双链的解开 （3 3）单链结合蛋白）单链结合蛋白 w单链结合蛋白单链结合蛋白（SSBSSB）主要作用是）主要作用是结合解开的两条单链结合解开的两条单链DNADNA，刺激，刺激DNADNA聚合酶聚合酶活化并与其它复制蛋活化并与其它复制蛋白作用形成复合物。白作用形成复合物。它的功能在于稳定它的功能在于稳定DNADNA解开的单链，阻解开的单链，阻止复性和保护单链部止复性和保护单链部分不被核酸酶降解。分不被核酸酶降解。二、二、DNADNA的复制过程的复制过程 DNADNA的的两两条条多多核核苷苷酸酸链链是是互互补补的的。一一条条链链上上的的核核苷苷酸酸排排列列顺顺序序决决定定了了另另一
19、一条条链链上上的的核核苷苷酸酸排排列列顺顺序序。DNADNA分分子子的的每每一一条条链链都都有有合合成成它的互补链所必需的全部信息。它的互补链所必需的全部信息。Watson Watson 和和CrickCrick发现了发现了DNADNA的双螺旋结构不的双螺旋结构不久，就提出了著名久，就提出了著名DNADNA复制机制假说，复制机制假说，19581958年，生物学家们用实验精确地证明了年，生物学家们用实验精确地证明了DNADNA复复制理论的正确性。制理论的正确性。1 1，DNA DNA 的半保留复制的半保留复制DNADNA复制的要点复制的要点（1 1）在复制开始阶段，）在复制开始阶段，DNADNA
20、的双螺旋拆分成两条单链。的双螺旋拆分成两条单链。（2 2）以以DNADNA单单链链为为模模板板，按按照照碱碱基基互互补补配配对对的的原原则则,在在DNADNA聚聚合合酶酶催催化化下下，合合成成与与模模板板DNADNA完完全全互互补补的的新新链链，并并形形成成一一个新的个新的DNADNA分子。分子。(3)(3)通通过过DNADNA复复制制形形成成的的新新DNADNA分分子子,与与原原来来的的DNADNA分分子子完完全全相相同同。经经过过一一个个复复制制周周期期后后，子子代代DNADNA分分子子的的两两条条链链中中，一一条条来来自自亲亲代代DNADNA分分子子，另另一一条条是是新新合合成成的的，所
21、所以以又又称称为为半半保留复制。保留复制。在在此此过过程程中中，每每个个子子代代分分子子的的一一条条链链来来自自亲亲代代DNADNA，另另一一条条链则是新合成的，这种复制方式称为半保留复制。链则是新合成的，这种复制方式称为半保留复制。2 2、DNADNA的半不连续复制的半不连续复制 由由于于DNADNA分分子子是是由由两两条条反反向向平平行行的的多多核核苷苷酸酸链链构构成成的的，一一条条链链的的走走向向为为5353，另另一一条条链链为为3535。两两条条链链都都可可以以作作为为模模板板合合成成子子代代 DNADNA。但但是是，DNADNA聚聚合合酶酶只只能能催催化化5353方方向向的新生链合成
22、。的新生链合成。以以复复制制叉叉向向前前移移动动的的方方向向为为标标准准，一一条条模模板板链链是是3535走走向向，在在其其上上DNADNA能能以以5353方方向连续合成，称为前导链；向连续合成，称为前导链；另一条模板链是另一条模板链是5353走向，在其走向，在其上上DNADNA也是从也是从5353方向合成，方向合成，但是与复制叉移动的但是与复制叉移动的方向正好相反，所以方向正好相反，所以随着复制叉的移动，随着复制叉的移动，形成许多不连续的片形成许多不连续的片段（称为冈崎片段），段（称为冈崎片段），最后连成一条完整的最后连成一条完整的DNADNA链，该链称为滞链，该链称为滞后链。这种前导链连后
23、链。这种前导链连续复制，滞后链不连续复制，滞后链不连续复制的方式称为续复制的方式称为DNADNA半不连续复制。半不连续复制。冈崎片段的合成需要冈崎片段的合成需要RNARNA引物。引物。RNARNA引物是在引物是在DNADNA模板链的一定部位合成并互补于模板链的一定部位合成并互补于DNADNA链，合成方链，合成方向也是向也是5353，催化该反应的酶称为引物合，催化该反应的酶称为引物合成酶。成酶。引物的长度通常为几个核苷酸至引物的长度通常为几个核苷酸至1010个核苷酸。个核苷酸。RNARNA引物的消除和缺口的填补是由引物的消除和缺口的填补是由DNADNA聚合酶聚合酶I I来来完成的。最后由完成的。
24、最后由DNADNA连接酶将冈崎片段连成长链。连接酶将冈崎片段连成长链。3 3，DNADNA复制的基本过程复制的基本过程 DNADNA复复制制的的基基本本过过程程主主要要包包括括复复制制起起始始、链链延延伸伸和和复复制制终终止止。在在整整个个复复制制过过程程中中，需需要要多多种种特特异异性性酶酶、蛋蛋白白质质的的参参与与，并并且且涉涉及及到到蛋蛋白白质质、DNADNA以以及及RNARNA等生物大分子之间的相互作用。等生物大分子之间的相互作用。DNADNA复制的起始复制的起始 DNADNA的复制都是在染色体上一个特定的起始部位开的复制都是在染色体上一个特定的起始部位开始的，这个部位通常称为始的，这
25、个部位通常称为OriOri。大多数原核生物基。大多数原核生物基因组和细菌质粒只有一个因组和细菌质粒只有一个OriOri位点，而真核生物染位点，而真核生物染色体中有多个色体中有多个OriOri位点，由一个复制起始点构成的位点，由一个复制起始点构成的DNADNA复制单位称为复制子。复制单位称为复制子。大肠杆菌在大肠杆菌在Ori COri C处起始复制依赖于处起始复制依赖于Dna ADna A蛋白，蛋白，Dna ADna A蛋白在蛋白在ATPATP存在下，能识别存在下，能识别Ori COri C处处9bp9bp的重的重复序列，形成多聚体后跨越复序列，形成多聚体后跨越2020 40bp40bp，诱导邻
26、近的，诱导邻近的A-TA-T富含区解链。富含区解链。Dna ADna A蛋白还能协助蛋白还能协助Dna BDna B螺旋酶螺旋酶结合到起始复合物中。结合到起始复合物中。DNADNA复制的起始复制的起始 DNADNA聚合酶能催化聚合酶能催化3-OH3-OH端与端与dNTPdNTP形成形成3,5-3,5-磷酸二酯键，磷酸二酯键，使新生链不断延长，但不能催化两个使新生链不断延长，但不能催化两个dNTPdNTP间形成磷酸二酯间形成磷酸二酯键。键。DNADNA在复制时，先在复制区的模板链上合成一段在复制时，先在复制区的模板链上合成一段RNARNA引引物，提供聚合酶物，提供聚合酶3-OH3-OH，然后在，
27、然后在DNADNA聚合酶催化下合成新生聚合酶催化下合成新生链，合成引物的过程称为引发。链，合成引物的过程称为引发。引发过程引发过程DNADNA链的延伸链的延伸 原核生物原核生物DNADNA链的延伸：引发一旦完成，链的延伸：引发一旦完成，DNADNA聚合酶就在聚合酶就在RNARNA引引物的物的3-OH3-OH端按照模板链的碱基序列，以碱基互补的原则延端按照模板链的碱基序列，以碱基互补的原则延伸伸DNA DNA 链。前导链按链。前导链按5353方向连续合成，滞后链按方向连续合成，滞后链按5353方向合成多个方向合成多个RNARNA引物，再延伸合成多个冈崎片段，引物，再延伸合成多个冈崎片段，最后连接
28、起来。最后连接起来。复制的终止复制的终止 w有有些些环环状状DNADNA分分子子含含有有复复制制终终止止位位点点，复复制制叉叉到到达达该该位位点点后后停停下下来来。复复制制终终止止后后，两两个个子子代代的的DNADNA分分子子互互相相铰铰链链在在一一起起，需需要要借借助助拓拓扑扑异异构构酶酶IIII在在其其中中一一条条DNADNA链链上上打打开开一一个个缺缺口口，使使两两个个子子代代DNADNA分分子子分分离离开开，然然后后再再将将缺口连接起来。缺口连接起来。w线性线性DNADNA复制过程中，当复制叉到达复制末端时，复制复制过程中，当复制叉到达复制末端时，复制既终止，两个子代既终止，两个子代
29、DNA DNA自行分开。自行分开。三、三、DNADNA的损伤与修复的损伤与修复 某些物理化学因素，如化学诱变剂、紫外线和某些物理化学因素，如化学诱变剂、紫外线和电离辐射等都可以引起基因突变和细胞凋亡，电离辐射等都可以引起基因突变和细胞凋亡，其化学本质是这些物理化学因素直接作用与其化学本质是这些物理化学因素直接作用与DNADNA，造成其结构和功能的破坏。，造成其结构和功能的破坏。生物体都具有一系列起修复作用的酶系统，可生物体都具有一系列起修复作用的酶系统，可以除去以除去DNADNA上的损伤，恢复上的损伤，恢复DNADNA的正常双螺旋结的正常双螺旋结构。构。目前已知有多种修复系统：光复活修复、碱基
30、目前已知有多种修复系统：光复活修复、碱基切除修复、核苷酸切除修复和重组修复等。切除修复、核苷酸切除修复和重组修复等。1 1，光复活修复，光复活修复 光复活是一种酶促反应过程，它可以完光复活是一种酶促反应过程，它可以完全修复因紫外线照射引起的嘧啶二聚体全修复因紫外线照射引起的嘧啶二聚体的的DNADNA损伤。损伤。光修复酶结合到嘧啶二聚体上，吸收蓝光光修复酶结合到嘧啶二聚体上，吸收蓝光光子，通过电子转移，使环断裂，恢复正光子，通过电子转移，使环断裂，恢复正常的碱基配对结构。常的碱基配对结构。2 2，碱基切除修复，碱基切除修复 主主要要修修复复小小段段的的DNADNA损损伤伤，例例如如烷烷化化剂剂、
31、氧氧化化和和电电离离辐辐射射造造成成的的碱碱基基损损伤伤。碱碱基基切切除除修修复复过过程程主主要要涉涉及及到到的的酶酶有有DNADNA糖苷酶、糖苷酶、APAP内切核酸酶、内切核酸酶、DNADNA聚合酶和聚合酶和DNADNA连接酶等。连接酶等。碱基切除修复首先由碱基切除修复首先由DNADNA糖苷酶水解损伤的碱基或碱基残糖苷酶水解损伤的碱基或碱基残留物与脱氧核糖之间的糖苷键，产生无碱基脱氧核糖核酸留物与脱氧核糖之间的糖苷键，产生无碱基脱氧核糖核酸（APAP）；再由）；再由APAP内切核酸酶分别水解无碱基脱氧核糖核酸内切核酸酶分别水解无碱基脱氧核糖核酸两侧的磷酸二酯键；然后由两侧的磷酸二酯键；然后由
32、DNADNA聚合酶进行复制补平切除聚合酶进行复制补平切除后产生的缺口；最后由连接酶连接切口。后产生的缺口；最后由连接酶连接切口。3 3，错配修复，错配修复 如果如果DNADNA在复制过程中发在复制过程中发生错误的配对，如生错误的配对，如G G与与T T配对，可以通过配对，可以通过DNADNA聚合聚合酶的酶的3535外切酶活外切酶活性校正，使基因编码信性校正，使基因编码信息可以得到恢复，但是息可以得到恢复，但是如果这个错误没有被校如果这个错误没有被校正，复制的正，复制的 DNA DNA在这个在这个部位含有一个错配的碱部位含有一个错配的碱基对，引起基因突变。基对，引起基因突变。这个错误可以被细胞的
33、这个错误可以被细胞的错配修复系统校正，该错配修复系统校正，该系统能够对新复制的系统能够对新复制的DNADNA进行扫描，搜索错配的进行扫描，搜索错配的碱基对或单个碱基插入碱基对或单个碱基插入和删除所产生的复制错和删除所产生的复制错误。误。四、四、RNARNA指导下的指导下的DNADNA合成合成 以以RNARNA为模板，即按照为模板，即按照RNARNA的核苷酸顺序的核苷酸顺序合成合成 DNA DNA，这与通常转录过程中遗传信，这与通常转录过程中遗传信息传递从息传递从DNADNA到到RNARNA的方向相反，因此称的方向相反，因此称为逆转录。为逆转录。催化逆转录反应的酶（催化逆转录反应的酶（RNARN
34、A指导的指导的 DNA DNA 聚合酶）一般称为逆转录酶。聚合酶）一般称为逆转录酶。1 1，RNARNA病毒与逆转录酶病毒与逆转录酶 逆逆转转录录病病毒毒的的基基因因组组由由两两条条相相同同的的正正链链RNARNA组组成成，RNARNA链链的的长长度度依依病病毒毒的的种种类类不不同同而而定定，一一般般为为（碱碱基基），33端端有有poly poly A A，55端端有有帽帽子子，类类似似与真核细胞的与真核细胞的 mRNA mRNA结构，中间是编码序列。结构，中间是编码序列。RNARNA病毒颗粒携带有逆转录酶，该酶具有以下功病毒颗粒携带有逆转录酶，该酶具有以下功能：依赖于能：依赖于RNARNA的
35、的DNADNA聚合作用；聚合作用；RNARNA酶酶 H H作用和作用和依赖于依赖于DNADNA的的DNADNA聚合作用。聚合作用。逆转录酶催化的逆转录酶催化的 DNA DNA合成同样以四种脱氧核糖三合成同样以四种脱氧核糖三磷酸核苷为底物，需要磷酸核苷为底物，需要MgMg2+2+，MnMn2+2+作辅助因子，并作辅助因子，并要求有模板和引物的存在。要求有模板和引物的存在。2 2，逆转录酶的作用机制，逆转录酶的作用机制 逆转录病毒感染逆转录病毒感染宿主细胞后，逆宿主细胞后，逆转录酶以基因组转录酶以基因组RNARNA为模板，宿为模板，宿主的主的tRNAtRNA为引物，为引物，按按5353方向方向合成
36、出与模板互合成出与模板互补的补的DNADNA链（负链（负链）。链）。新生的新生的DNADNA链与模板链与模板33端端R R配对互补，配对互补，5353方向继续合成方向继续合成DNADNA负链，直到模板的负链，直到模板的55端。端。RNARNA酶酶H H以以新新合合成成的的DNADNA链链为为模模板板合合成成DNADNA正正链链，并降解并降解tRNAtRNA。此此时时，发发生生第第二二此此跳跳跃跃，负负链链33端端引引物物结结合合序序列列与与新新合合成成的的正正链链33引引物物结结合合部部位位配配对对互互补补，以以负负链链为为模模板板合合成成全全长长的的正正链链。再再以以全全长长的的正正链链为为
37、模模板板，补补充充合合成成33端的序列。端的序列。病毒携带的整合酶病毒携带的整合酶（integraseintegrase）与双链）与双链DNADNA结结合并除去两条合并除去两条DNADNA链链3-3-末末端各两个核苷酸，使双链末端各两个核苷酸，使双链末端成为端成为5-5-端突出的粘端。端突出的粘端。病毒病毒DNADNA与整合酶的复合物与整合酶的复合物又与宿主又与宿主DNADNA结合，整合酶结合，整合酶随机切割宿主随机切割宿主DNADNA链，使链，使5-5-端产生突出的端产生突出的4 46 6个核个核苷酸的粘端，病毒苷酸的粘端，病毒DNADNA与宿与宿主主DNADNA末端对接，并由宿主末端对接，
38、并由宿主的酶系统将末端修补连接。的酶系统将末端修补连接。病毒病毒DNADNA就这样随机整合到就这样随机整合到宿主基因组中。宿主基因组中。第二节第二节 DNA DNA指导下的指导下的RNARNA合成合成 细胞内的各种细胞内的各种RNARNA（包括（包括mRNAmRNA、tRNAtRNA和和rRNArRNA）都是以）都是以DNADNA为模板，在为模板，在RNARNA聚合酶聚合酶催化下合成的，最初转录的催化下合成的，最初转录的RNARNA产物通常产物通常需要一系列断裂，拼接，修饰和改造才需要一系列断裂，拼接，修饰和改造才能成为成熟的能成为成熟的 RNA RNA分子。分子。一、核糖核酸的酶促合成一、核
39、糖核酸的酶促合成 DNADNA中储存的遗传信息的表达首先是以中储存的遗传信息的表达首先是以DNADNA为模板转录出互补的为模板转录出互补的 RNA RNA分子，转录分子，转录过程与过程与 DNA DNA的复制过程有较多相似之处。的复制过程有较多相似之处。在转录过程中，需要以在转录过程中，需要以DNADNA为模板，以为模板，以4 4种核糖核苷三磷酸种核糖核苷三磷酸ATPATP、GTPGTP、CTPCTP和和UTPUTP为底物，在为底物，在RNARNA聚合酶催化下进行。聚合酶催化下进行。转录出互补的转录出互补的RNA RNA 碱基序列与碱基序列与DNADNA的另一的另一条链基本相同，只是条链基本相
40、同，只是T T被换成被换成U U。在在体体外外，RNA RNA 聚聚合合酶酶能能使使DNADNA的的两两条条链链同同时时进进行行转转录录，但但在在体体内内，DNADNA分分子子的的两两条条链链仅仅有有一一条条链链可可用用于于转转录录；或或者者某某些些区区域域以以这这条条链链转转录录，另另一一些些区区域域以以另另一一条条链链转转录录；对对应应的的链链只只能能进进行行复复制制，而无转录的功能。而无转录的功能。在在RNARNA聚聚合合反反应应中中，RNARNA聚聚合合酶酶以以完完整整双双链链DNADNA为为模模板板，DNADNA碱碱基基顺顺序序的的转转录录是是全全保保留留方方式式，转转录录后后，DN
41、A DNA 仍仍然然保保持持双双链链的的结结构构。虽虽然然转转录录时时，双双链链结结构构部部分分的的解解开开，但但天天然然的的（双双链链）DNADNA作作为为模板比变性的（单链）模板比变性的（单链）DNADNA更有效。更有效。二、二、RNARNA聚合酶及转录因子聚合酶及转录因子 在原核细胞中只有一种在原核细胞中只有一种RNARNA聚合酶，大肠杆菌的聚合酶，大肠杆菌的RNARNA聚聚合酶全酶的分子量约合酶全酶的分子量约5050万，万，由由5 5个亚基（个亚基（2 2）组成，没有组成，没有 亚基的酶叫核亚基的酶叫核心酶（心酶（2 2）。）。核心酶只能使已经开始合成核心酶只能使已经开始合成的的RNA
42、RNA链延长，但不具有起链延长，但不具有起始合成始合成RNARNA的能力，因此称的能力，因此称 亚基为起始因子。亚基为起始因子。1 1，RNARNA聚合酶聚合酶目目前前已已知知的的真真核核细细胞胞RNARNA聚聚合合酶酶有有3 3种种，它它们们在在结结构构上上具具有有极极大大的的相相似似性性，都都是是由由两两个个大大亚亚基基和和多多个个小小亚亚基基构构成成，3 3种种酶酶的的大大亚亚基基的的氨氨基酸序列有同源性，某些小亚基为基酸序列有同源性，某些小亚基为3 3种酶共有。种酶共有。RNARNA聚聚合合酶酶在在结结构构上上虽虽有有相相似似性性，但但分分工工不不同同，RNARNA聚聚合合酶酶I I负
43、负责责转转录录出出rRNArRNA前前体体（前前体体中中不不包包括括5S 5S rRNA rRNA）；RNARNA聚聚合合酶酶IIII转转录录编编码码蛋蛋白白质质的的基基因因和和snRNAsnRNA基基因因；RNARNA聚聚合合酶酶IIIIII合合成成5S 5S rRNArRNA、tRNAtRNA、U6RNAU6RNA及及7SRNA7SRNA等。等。2 2，真核转录因子，真核转录因子 真真核核基基因因转转录录过过程程中中，RNARNA聚聚合合酶酶须须在在一一系系列列转转录录因因子子的的辅辅助助下下才才能能与与启启动动子子结结合合，形形成成稳稳定定的的起起始复合物。根据转录因子的功能，可以分为始
44、复合物。根据转录因子的功能，可以分为3 3类：类：（1 1）普普遍遍因因子子与与DNADNA聚聚合合酶酶一一起起在在转转录录起起始始点点周周围形成复合物。围形成复合物。（2 2）上上游游因因子子是是DNADNA结结合合蛋蛋白白，能能够够特特异异地地识识别别转转录录起起点点上上游游的的顺顺式式作作用用单单元元（特特异异的的DNADNA调调控控序序列）并与之结合。列）并与之结合。（3 3）可可诱诱导导的的因因子子也也是是一一种种DNADNA结结合合蛋蛋白白，其其作作用方式与上游因子相同。用方式与上游因子相同。三、原核细胞的转录过程三、原核细胞的转录过程 RNARNA聚合酶需要先与聚合酶需要先与DN
45、A DNA 模板的一定部位结合，模板的一定部位结合，并局部打开并局部打开DNADNA双螺旋，双螺旋，然后开始转录。然后开始转录。DNADNA上上与酶结合的部位称为启与酶结合的部位称为启动子。与酶结合的启动动子。与酶结合的启动子核苷酸中常有高子核苷酸中常有高ATAT含含量的区域，双链比较容量的区域，双链比较容易打开。易打开。亚基能够增亚基能够增强强RNARNA聚合酶对启动子聚合酶对启动子的识别能力。的识别能力。1 1，RNARNA聚合酶与聚合酶与DNADNA模板的结合模板的结合2 2，转录的开始，转录的开始 当当RNARNA聚聚合合酶酶进进入入合合成成的的起起始始点点后后，遇遇到到起起始始信信号
46、号而而开开始始转转录录，即即按按照照模模板板顺顺序序选选择择第第一一个个和和第第二二个个核核苷苷三三磷磷酸酸，使两个核苷酸之间形成磷酸二酯键，同时释放焦磷酸。使两个核苷酸之间形成磷酸二酯键，同时释放焦磷酸。转转录录开开始始后后，亚亚基基对对便便从从全全酶酶中中解解离离出出来来，与与另另一一个个酶酶结合，开始另一转录过程。结合，开始另一转录过程。与与DNADNA合成不同，合成不同，RNARNA的的合成不需要引物。在新合合成不需要引物。在新合成的成的RNARNA链的链的5-5-端通常端通常为带有三个磷酸基团的鸟为带有三个磷酸基团的鸟苷或腺苷（苷或腺苷（pppGpppG或或pppApppA），），也
47、就是说合成的第一个底也就是说合成的第一个底物必定是物必定是GTPGTP或或ATPATP。3 3，链的延长，链的延长 RNARNA链的延长反应由核链的延长反应由核心酶催化，聚合酶在心酶催化，聚合酶在DNADNA模板上以一定速度模板上以一定速度滑行，同时根据被转滑行，同时根据被转录录DNADNA链的核苷酸顺序链的核苷酸顺序选择相应的核苷三磷选择相应的核苷三磷酸底物，使酸底物，使RNARNA链不断链不断延长。延长。RNARNA链的合成方向是链的合成方向是5353。由于。由于DNADNA链链与合成的与合成的RNARNA链具有反链具有反平行的关系，所以平行的关系，所以RNARNA聚合酶是沿着聚合酶是沿着
48、DNADNA链的链的3535方向移动。方向移动。4 4，链的终止，链的终止 DNADNA分分子子具具有有终终止止转转录录的的核核苷苷酸酸序序列列信信号号。在在这这些些信信号号中中，有有些些能能被被RNARNA聚聚合合酶酶本本身身所所识识别别，转转录录进进行行到到此此即即行行终终止止，mRNAmRNA与与RNARNA聚聚合合酶酶便便会从会从DNADNA模板上脱落下来。模板上脱落下来。另外还有一些信号可以被一种参与转录终止过另外还有一些信号可以被一种参与转录终止过程的蛋白质程的蛋白质因子所识别，因子所识别，因子能辨别因子能辨别DNADNA上特殊的终止位点（上特殊的终止位点（位点），使位点），使mR
49、NAmRNA从从DNADNA模板上脱离，而模板上脱离，而RNARNA聚合酶却不脱离。聚合酶却不脱离。四、转录后核糖核酸链的加工四、转录后核糖核酸链的加工 在细胞内，转录过程中合成的在细胞内，转录过程中合成的RNARNA链一般链一般需要经过一系列的变化，包括链的断裂需要经过一系列的变化，包括链的断裂和化学修饰等过程，才能转变为成熟的和化学修饰等过程，才能转变为成熟的mRNAmRNA、tRNAtRNA和和rRNArRNA，这个过程常常称为，这个过程常常称为RNARNA的转录加工过程。的转录加工过程。1 1，核内不均一，核内不均一RNARNA（snRNAsnRNA）的加工）的加工 细胞质的细胞质的m
50、RNAmRNA是由核内分子量极大的前体，即核是由核内分子量极大的前体，即核内不均一内不均一RNARNA（snRNAsnRNA）转变而来，其分子中大约）转变而来，其分子中大约只有只有10%10%左右的部分转变为左右的部分转变为mRNA mRNA，其余部分将在，其余部分将在加工过程中被降解掉。加工过程中被降解掉。由由snRNAsnRNA转变成转变成mRNA mRNA 需要经过一系列复杂的加工需要经过一系列复杂的加工步骤，其中包括：（步骤，其中包括：（1 1）在）在RNARNA链的特异部位断裂，链的特异部位断裂，除去非结构信息部分；（除去非结构信息部分；（2 2）在）在mRNAmRNA的的33末端连