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1、基因信息的传递第第 三三 篇篇The biochemistry and molecular biology department of CMU基基 因因 (gene)：为蛋白质或为蛋白质或RNA编码的编码的DNA功能片段，功能片段，是以碱基排列顺序的方式储存的遗传信息。是以碱基排列顺序的方式储存的遗传信息。基基 因因 组组（enomge)：某一物种拥有的全部遗传物质，从分某一物种拥有的全部遗传物质，从分子意义上说，是指全部子意义上说，是指全部DNA序列。序列。转录转录 翻译翻译 复制复制 DNA RNA 蛋白质蛋白质 逆转录逆转录*中心法则中心法则(the central dogma)转录转录
2、 翻译翻译 复制复制 DNA RNA 蛋白质蛋白质 逆转录逆转录 转录转录 翻译翻译 复制复制 DNA RNA 蛋白质蛋白质 逆转录逆转录 转录转录 翻译翻译 复制复制 DNA RNA 蛋白质蛋白质 逆转录逆转录 转录转录 翻译翻译 复制复制 DNA RNA 蛋白质蛋白质 逆转录逆转录 转录转录 翻译翻译 复制复制 DNA RNA 蛋白质蛋白质 逆转录逆转录 主要内容主要内容 DNA的生物合成的生物合成 复制复制 RNA的生物合成的生物合成 转录转录 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成 翻译翻译 基因表达基因表达调控调控 基因重组与基因重组与基因工程基因工程DNA的生物合成(复制)DNA Bio
3、synthesis(Replication)第第 十一十一 章章 DNA的生物合成的生物合成复制复制(replication)：以母链以母链DNA为模板合成子链为模板合成子链DNA的过程的过程。复制复制逆转录逆转录复制复制亲代亲代DNA子代子代DNA 本章主要内容：本章主要内容：复制的基本规律复制的基本规律 DNA复制的酶学和拓扑学变化复制的酶学和拓扑学变化 复制的过程复制的过程 逆转录和其他复制方式逆转录和其他复制方式 DNA损伤损伤(突变突变)与修复与修复复制的基本规律复制的基本规律Basic Rules of DNA Replication 第一节第一节l半保留复制半保留复制 (semi
4、-conservative replication)l双向复制双向复制 (bidirectional replication)l半不连续复制半不连续复制 (semi-discontinuous replication)l方向性和高保真性方向性和高保真性DNA复制的特征复制的特征一、半保留复制的实验依据和意义一、半保留复制的实验依据和意义 DNA生生物物合合成成时时，母母链链DNA解解开开为为两两股股单单链链，各各自自作作为为模模板板(template)按按碱碱基基配配对对规规律律，合合成成与与模模板板互互补补的的子子链链。子子代代细细胞胞的的DNA，一一股股单单链链从从亲亲代代完完整整地地接接
5、受受过过来来，另另一一股股单单链链则则完完全全重重新新合合成成。两两个个子子细细胞胞的的DNA都都和和亲亲代代DNA碱碱基基序列一致。这种复制方式称为序列一致。这种复制方式称为半保留复制半保留复制。半保留复制的概念半保留复制的概念 全保留式全保留式 半保留式半保留式 混合式混合式 DNA复制的三种可能方式复制的三种可能方式DNA半保留复制实验半保留复制实验 含含N15-DNA的细菌的细菌培养于普培养于普通培养液通培养液 第一代第一代继续培养于继续培养于普通培养液普通培养液 第二代第二代梯度离心结果梯度离心结果按按半半保保留留复复制制方方式式，子子代代DNA与与亲亲代代DNA的的碱碱基基序序列列
6、一一致致，即即子子代代保保留留了了亲亲代代的的全全部部遗遗传传信信息息，体体现现了了遗遗传传的的保保守守性。性。半保留复制的意义半保留复制的意义遗传的保守性，是物种稳定性的分子遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但基础，但不是绝对的不是绝对的。原核生物：原核生物：基因组是环状基因组是环状DNA 只有一只有一个复制起始点个复制起始点 复制时，复制时，DNA从起始点从起始点(origin)向两个向两个方向解链，形成两个延伸相反的复制叉，称方向解链，形成两个延伸相反的复制叉，称为为双向复制双向复制。二、双向复制二、双向复制 复复制制时时双双链链打打开开，分分开开成成两两股股，各各自自作作为为模模板
7、板，子子链链沿沿模模板板延延长长所所形形成成的的Y字字形形的的结构称为结构称为复制叉复制叉(replication fork)。在在原原核核生生物物双双向向复复制制中中，DNA被被描描述述为为眼眼睛睛状状。为为说说明明方方便便而而做做的图为的图为 形。形。复制中的放射自显影图象复制中的放射自显影图象oriC真核生物：真核生物：染色体染色体DNA有有多个复制起始点多个复制起始点。两两个个起起始始点点之之间间的的DNA片片段段称称为为复复制制子子(replicon)。复制子是独立完成复制的功能单位。复制子是独立完成复制的功能单位。真核生物多个复制起始点、复制子与复制叉真核生物多个复制起始点、复制子
8、与复制叉真核生物的多复制子复制电镜图真核生物的多复制子复制电镜图3 5 3 5 3535解链方向解链方向领头链领头链(leading strand)随从链随从链(lagging strand)三、复制的半不连续性三、复制的半不连续性35n顺顺着着解解链链方方向向生生成成的的子子链链，复复制制是是连连续续进进行行的这股链称为的这股链称为领头链领头链。n另另一一股股链链因因为为复复制制的的方方向向与与解解链链方方向向相相反反，不不能能顺顺着着解解链链方方向向连连续续延延长长，这这股股不不连连续续复复制的链称为制的链称为随从链随从链。n领领头头链链连连续续复复制制而而随随从从链链不不连连续续复复制制
9、，就就是是复制的复制的半不连续性半不连续性。冈崎片段：冈崎片段：1968年年日日本本生生化化学学者者冈冈崎崎用用电电镜镜及及放放射射自自显显影影技技术术，观观察察到到DNA复复制制中中出出现现一一些些不不连连续续的的片片段段，将将这这些些不不连连续续的的片片段段称称为为冈冈崎片段崎片段。原核生物原核生物:10002000个核苷酸个核苷酸 真核生物真核生物:100200个核苷酸个核苷酸半不连续复制动画半不连续复制动画 DNA复制的酶学复制的酶学The Enzymology of DNA Replication 第二节第二节DNA复制的体系复制的体系 底物底物:dNTP(dATP、dGTP、dCT
10、P、dTTP)聚合酶聚合酶:依赖依赖DNA的的DNA聚合酶聚合酶(DNA-pol)模板模板:解开成单链的解开成单链的DNA母链母链 引物引物:提供提供3-OH末端的寡核苷酸末端的寡核苷酸 其他酶和蛋白质因子其他酶和蛋白质因子:拓扑异构酶、解螺旋酶、拓扑异构酶、解螺旋酶、单链单链DNA结合蛋白结合蛋白、引物酶、连接酶引物酶、连接酶一、复制的化学反应一、复制的化学反应 (dNMP)n+dNTP (dNMP)n+1+PPi 聚合反应的特点聚合反应的特点DNA 新链生成需新链生成需引物引物和和模板模板；新链的延长只可沿新链的延长只可沿5 3 方向进行方向进行。二、二、DNA聚合酶聚合酶全称：全称：依赖
11、依赖DNA的的DNA聚合酶聚合酶(DNA-dependent DNA polymerase)简称：简称：DNA-pol活性：活性：1.53 的聚合活性的聚合活性 2.核酸外切酶活性核酸外切酶活性n1959 年获诺贝尔生理学或医学奖年获诺贝尔生理学或医学奖 奥乔亚奥乔亚 科恩伯格科恩伯格 Severo Ochoa Arthur Kornberg聚合反应机理聚合反应机理3 5 3 5 聚合反应的特点聚合反应的特点 以单链以单链DNA为模板为模板 以以dNTP为原料为原料 引物提供引物提供3-OH 聚合方向为聚合方向为5 3 遵守碱基互补规律遵守碱基互补规律5 A G C T T C A G G A
12、 T A 3|3 T C G A A G T C C T A G C G A C 5 3 5 外切酶活性外切酶活性 5 3 外切酶活性外切酶活性?能切除引物和突变的能切除引物和突变的 DNA片段。片段。能辨认错配的碱基对，并将其水解。能辨认错配的碱基对，并将其水解。核酸外切酶活性核酸外切酶活性 （一）原核生物的（一）原核生物的DNA聚合酶聚合酶 DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol 催化催化DNA聚合聚合参与参与DNADNA损伤损伤的应急状态修的应急状态修复复校读、修复合校读、修复合成、切除引物成、切除引物填补空隙填补空隙功能功能2040400分子数分
13、子数/细胞细胞1011亚基数亚基数+5 外切酶活性外切酶活性+5 外切酶活性外切酶活性+5 聚合酶活性聚合酶活性pol IIIpol IIpol IE.Coli中的中的DNA聚合酶聚合酶功能功能：校读，校读，去除去除RNA引物，填补空隙，引物，填补空隙，参与参与DNA损伤修复损伤修复。DNA-pol 323个氨基酸个氨基酸小片段小片段5 核酸外切酶活性核酸外切酶活性大片段大片段/Klenow 片段片段 604个氨基酸个氨基酸DNA聚合酶活性聚合酶活性 5 核酸外切酶活性核酸外切酶活性N 端端C 端端木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶DNA-pol Klenow片段是实验室合成片段是实验室合成DNA，进行分子
14、生物进行分子生物学研究中常用的工具酶。学研究中常用的工具酶。DNA聚合酶聚合酶II(DNA-pol II)具有具有53的聚合酶活性。的聚合酶活性。只是在无只是在无pol及及pol的情况下暂时的情况下暂时 起作用。起作用。对模板的特异性不高对模板的特异性不高,参与参与DNA损伤损伤 的应急状态修复的应急状态修复。DNA聚合酶聚合酶III (DNA-pol III)n是复制延长中真正起催化作用的酶。是复制延长中真正起催化作用的酶。n由由10种亚基组成不对称的聚合体。种亚基组成不对称的聚合体。n，亚亚基基组组成成核核心心酶酶，亚亚基基具具有有53的的聚聚合合活活性性，亚亚基基具具有有35外外切切酶酶
15、活活性性，亚基可能起组装作用亚基可能起组装作用。n亚亚基基(DNA夹夹子子)能能夹夹稳稳模模板板链链，负负责责酶酶沿沿DNA模板滑动的作用。模板滑动的作用。n其其余余亚亚基基统统称称为为-复复合合物物,是是DNA夹夹子子加加载载蛋白蛋白。DNA-pol （二）（二）真核真核生物的生物的DNA聚合酶聚合酶DNA-pol 起始引发，有引物酶活性。起始引发，有引物酶活性。复制的主要酶复制的主要酶，有解螺旋酶活性。，有解螺旋酶活性。参与低保真度的复制。参与低保真度的复制。在复制过程中起在复制过程中起校读、修复和填补缺校读、修复和填补缺口口的作用。的作用。在在线粒体线粒体DNA复制中起催化作用。复制中起
16、催化作用。DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol 三、复制保真性的酶学依据三、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。确传代的基本原理。复制保真性的酶学机制：复制保真性的酶学机制：（一）（一）DNA-pol的核酸外切酶活性和即时校读的核酸外切酶活性和即时校读（二）复制的保真性和碱基选择（二）复制的保真性和碱基选择（一）（一）DNA-pol的核酸外切酶活性和即时校读的核酸外切酶活性和即时校读（二）复制的保真性和碱基选择（二）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）与聚
17、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。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，嘌呤应处于啶形成氢键配对，嘌呤应处于反式构型反式构型。1.遵守严格的碱基配对规律；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；聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能；3.复制出错时复制出错时DNA-pol的即时校读功能。的即时校读功能。DNA复制的保真性至少要依赖三种机制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四、复制中的分子解链及DNA 分子拓扑分子拓扑学
18、变化学变化 DNA分子的碱基埋在双螺旋内部，只分子的碱基埋在双螺旋内部，只有把有把DNA解成单链，它才能起模板作用。解成单链，它才能起模板作用。（一）解螺旋酶、引物酶和单链（一）解螺旋酶、引物酶和单链DNA结合蛋白结合蛋白理顺理顺DNA链链拓扑异构酶拓扑异构酶(gyrA,B)稳定已解开的单链稳定已解开的单链单链单链DNA结合蛋白结合蛋白SSB催化催化RNA引物生成引物生成引物酶引物酶DnaG(dnaG)运送和协同运送和协同DnaBDnaC(dnaC)解开解开DNA双链双链解螺旋酶解螺旋酶DnaB(dnaB)辨认起始点辨认起始点DnaA(dnaA)蛋白质（基因）蛋白质（基因）通用名通用名功能功能
19、原核生物复制起始的相关蛋白质原核生物复制起始的相关蛋白质E.Coli 基因图基因图解螺旋酶解螺旋酶(helicase)又称解链酶或又称解链酶或rep蛋白蛋白利用利用ATP供能，作用于氢键，使供能，作用于氢键，使DNA双链双链解开成为两条解开成为两条单链。单链。每解开一对碱基，需消耗每解开一对碱基，需消耗2分子分子ATP。Dna BDna C解链方向解链方向 单链单链DNA结合蛋白结合蛋白 (single stranded DNA binding protein,SSB)n在复制中维持模板处于单链状态并保护单在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整性。链的完整性。DNA拓扑异构酶拓扑异构酶(
20、DNA topoisomerase)1010 8 8 局部解链后局部解链后拓扑是指物体或图像作弹性位移而又保持不变的性拓扑是指物体或图像作弹性位移而又保持不变的性质。质。解解链链过过程程中中，DNA分分子子会会过过度度拧拧紧紧、打打结结、缠缠绕绕、连环等现象。连环等现象。拓扑异构酶作用特点拓扑异构酶作用特点既能水解既能水解、又能连接磷酸二酯键、又能连接磷酸二酯键克服解链过程中的打结、缠绕现象克服解链过程中的打结、缠绕现象 拓扑异构酶拓扑异构酶 拓扑异构酶拓扑异构酶分分 类类拓扑异拓扑异构酶构酶切断切断DNA双链中双链中一股一股链，使链，使DNA解链旋转不致打结；适当时候封解链旋转不致打结；适当
21、时候封闭切口，闭切口，DNA变为松弛状态变为松弛状态。反应反应不需不需ATP。拓扑异拓扑异构酶构酶切断切断DNA分子分子两股两股链，断端通过切链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。口旋转使超螺旋松弛。利用利用ATP供能，连接断端，供能，连接断端，DNA分分子进入负超螺旋状态。（主要）子进入负超螺旋状态。（主要）作用机制作用机制 拓扑异构酶拓扑异构酶的作用的作用拓扑异构酶拓扑异构酶的作用的作用解旋解链酶类的作用解旋解链酶类的作用引物酶引物酶(primase)n依赖依赖DNA的的RNA聚合酶。聚合酶。n对利福平不敏感。对利福平不敏感。n可以催化游离可以催化游离NTP聚合。聚合。n在大肠杆菌，是在大肠杆
22、菌，是dna G 基因的表达产物。基因的表达产物。n催化催化RNA引物的生成。引物的生成。引物（引物（primer）：）：是是由由引引物物酶酶催催化化生生成成的的短短链链RNA，它它可可为为DNA聚合提供聚合提供3-OH末端。末端。五、五、DNA连接酶连接酶连连接接DNA链链3-OH末末端端和和相相邻邻DNA链链5-P末末端端，使使二二者者生生成成磷磷酸酸二二酯酯键键，从从而而把把两两段段相相邻邻的的DNA链链连连接接成成一一条条完完整整的链。的链。HO5335DNA连接酶连接酶ATP（NAD+）AMP5353在复制中起接合在复制中起接合双链中单链缺口双链中单链缺口的作用。的作用。在在DNA修
23、修复复、重重组组及及剪剪接接中中也也起起缝缝合合缺缺口口作用。作用。是基因工程的重要工具酶之一。是基因工程的重要工具酶之一。DNA连接酶的功能连接酶的功能DNA生物合成过程生物合成过程The Process of DNA Replication第三节第三节（一）复制的起始（一）复制的起始需要解决两个问题：需要解决两个问题：1.DNA解开成单链，提供模板。解开成单链，提供模板。2.合成引物，提供合成引物，提供3-OH末端末端;形成引发体形成引发体。一、原核生物的一、原核生物的DNA生物合成生物合成 GATTNTTTATTT GATCTNTTNTATT GATCTCTTATTAG 5 3 1.DN
24、A解链解链E.coli复制起始点复制起始点 oriC 1 13 17 29 32 44 TGTGGATTA-TTATACACA-TTTGGATAA-TTATCCACA58 66 166 174 201 209 237 245 串联重复序列串联重复序列 反向重复序列反向重复序列5 3 Dna A Dna B、Dna CDNA拓扑异构酶拓扑异构酶引物引物酶酶SSB3 5 3 5 2.引发体和引物引发体和引物含有解螺旋酶、含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。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引物是由引物
25、酶催化合成的短链RNA分子。分子。引物引物3 HO5引物引物酶酶DNA解成单链解成单链 由由拓扑异构酶拓扑异构酶松弛超螺旋，松弛超螺旋，解螺旋酶解螺旋酶 解开双链，解开双链，SSB结合到单链上使其稳定。结合到单链上使其稳定。（二）复制的延长（二）复制的延长复复制制的的延延长长指指在在DNA-pol催催化化下下，dNTP以以dNMP的的方方式式逐逐个个加加入入引引物物或或延延长长中中的的子子链链上上，其其化化学学本本质质是是磷磷酸酸二二酯酯键键的的不断生成。不断生成。5 5 3 35 5dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH 3 3DNA-pol领头链的合成领头链的
26、合成随从链的合成随从链的合成复复制制过过程程简简图图复复 制制 过过 程程 动动 画画原核生物基因是环状原核生物基因是环状DNA，双向复制的复制双向复制的复制片段在复制的终止点片段在复制的终止点(ter)处汇合。处汇合。E.colioriter8232 ori terSV40500（三）复制的终止（三）复制的终止5 5 5 RNA酶酶OHP5 DNA-pol dNTP5 5 PATP AMP+PPi5 5 DNA连接酶连接酶 随从链上不连续性片段的连接随从链上不连续性片段的连接哺乳动物的哺乳动物的细胞周期细胞周期DNA合成期合成期G1G2SM二、真核生物的二、真核生物的DNA生物合成生物合成
27、细细胞胞能能否否分分裂裂，决决定定于于进进入入S期期及及M期期这这两两个个关关键键点点。G1S及及G2M的调节，与蛋白激酶活性有关。的调节，与蛋白激酶活性有关。蛋蛋白白激激酶酶通通过过磷磷酸酸化化激激活活或或抑抑制制各各种种复复制制因因子子而而实实施调控作用。施调控作用。真真核核生生物物每每个个染染色色体体有有多多个个起起始始点点，是是多多复复制制子子复复制制。复复制制有有时时序序性性，即即复复制制子子以以分分组组方式激活而不是同步起动。方式激活而不是同步起动。复复制制的的起起始始需需要要DNA-pol（引引物物酶酶活活性性）和和pol（解解螺螺旋旋酶酶活活性性）参参与与。还还需需拓拓扑扑酶酶
28、和复制因子和复制因子(replication factor,RF)。（一）复制的起始（一）复制的起始增增 殖殖 细细 胞胞 核核 抗抗 原原(proliferation cell nuclear antigen,PCNA)在在复复制制起起始始和和延延长长中起关键作用。中起关键作用。酵酵母母DNA复复制制起起始始点点为为11bp富富含含AT的的核核心心序列。序列。复复制制起起始始包包括括打打开开复复制制叉叉、形形成成引引发发体体和和合合成成RNA引物。引物。3 5 5 3 领头链领头链3 5 3 5 亲代亲代DNA随从链随从链引物引物核小体核小体（二）复制的延长（二）复制的延长DNA复制与核小体
29、装配同步进行。复制与核小体装配同步进行。染色体染色体DNA呈线状，复制在末端停止。呈线状，复制在末端停止。复制终止包括：复制终止包括：1.岡崎片段、复制子之间的连接。岡崎片段、复制子之间的连接。2.端粒的合成端粒的合成（三）复制的终止（三）复制的终止和端粒酶和端粒酶 真核生物端粒的形成：真核生物端粒的形成：n端粒（端粒（telomere）是指真核生物染色是指真核生物染色体线性体线性DNA分子末分子末端的结构部分，通端的结构部分，通常膨大成粒状。常膨大成粒状。功能功能 维持染色体的稳定性维持染色体的稳定性 维持维持DNA复制的完整性复制的完整性结构特点结构特点 由由末端末端DNA序列序列和和蛋白
30、质蛋白质构成。构成。末端末端DNA序列是多次重复的富含序列是多次重复的富含G、T碱基的短序列。碱基的短序列。TTTTGGGGTTTTGGGG端粒酶端粒酶(telomerase)n线性线性DNA在复制完成后，其末端由于引物在复制完成后，其末端由于引物RNA的水解而的水解而可能出现缩短。故需要在可能出现缩短。故需要在端粒酶端粒酶（telomerase）的催化）的催化下，进行延长反应。下，进行延长反应。端粒酶端粒酶(telomerase)端端粒粒酶酶是是一一种种RNA-蛋蛋白白质质复复合合体体，它它可可以以其其RNA为为模模板板，通通过过逆逆转转录录过过程程对对末末端端DNA链进行延长。链进行延长。
31、端粒酶的分子结构端粒酶的分子结构端粒酶端粒酶RNA(human telomerase RNA,hTR)端粒酶协同蛋白端粒酶协同蛋白(human telomerase associated protein 1,hTP1)端粒酶逆转录酶端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse transcriptase,hTRT)端粒酶的组成端粒酶的组成端粒酶的爬行模型（动画演示）端粒酶的爬行模型（动画演示）DNADNA聚合酶复制子链聚合酶复制子链进一步加工进一步加工端粒及端粒及端粒酶的意义端粒酶的意义n成年人端粒比胚胎细胞端粒短；成年人端粒比胚胎细胞端粒短；n老化与端粒酶活性下降有关；老
32、化与端粒酶活性下降有关；n肿瘤的发生与端粒酶活性有关；肿瘤的发生与端粒酶活性有关；n端粒酶不一定能决定端粒的长度。端粒酶不一定能决定端粒的长度。细胞分裂细胞分裂细胞分裂细胞分裂细胞分裂细胞分裂细胞分裂细胞分裂细细胞胞衰衰老老端粒酶永永生生化化抗肿瘤靶抗肿瘤靶抗肿瘤靶抗肿瘤靶点点点点 正常细胞：正常细胞：细胞分裂细胞分裂细胞分裂细胞分裂 衰衰衰衰老老老老死死死死亡亡亡亡 细胞年轻化细胞年轻化细胞年轻化细胞年轻化 端粒酶端粒酶端粒酶端粒酶 重新引入重新引入重新引入重新引入抗抗衰衰老老逆转录和其他复制方式逆转录和其他复制方式Reverse Transcription and Other DNA Re
33、plication Ways第四节第四节逆转录逆转录(reverse transcription)在逆转录酶的催化下，以在逆转录酶的催化下，以RNA为模为模板合成板合成DNA的过程，又称反转录。的过程，又称反转录。逆转录逆转录酶酶一、逆转录病毒和逆转录酶一、逆转录病毒和逆转录酶 逆转录酶逆转录酶(reverse transcriptase)从从RNA病毒中发现，能催化以病毒中发现，能催化以RNA为模板为模板合成双链合成双链DNA的酶，全称为依赖的酶，全称为依赖RNA的的DNA聚合酶。聚合酶。有三种活性：有三种活性：RNA指导的指导的DNA聚合活性聚合活性 RNase H活性活性 DNA指导的指
34、导的DNA聚合活性聚合活性逆转录病毒细胞内的逆转录现象逆转录病毒细胞内的逆转录现象RNA 模板模板逆转录酶逆转录酶DNA-RNA 杂化双链杂化双链RNA酶酶单链单链DNA逆转录酶逆转录酶双链双链DNA分子生物学研究可应用分子生物学研究可应用逆转录酶，作为获取基因工逆转录酶，作为获取基因工程目的基因的重要方法之一，程目的基因的重要方法之一，此法称为此法称为cDNA法。法。以以mRNA为模板，经逆为模板，经逆转录合成的与转录合成的与mRNA碱基序碱基序列互补的列互补的DNA链。链。试管内合成试管内合成cDNAcDNA complementary DNA 逆转录酶逆转录酶 A AA A T T T
35、TAAAASISI核酸酶核酸酶 DNA聚合酶聚合酶碱水解碱水解 T T T T二、逆转录研究的意义二、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逆转录酶和逆转录现象，是分子生物学研究中的重大发现。的重大发现。逆转录现象说明：至少在某些生物，逆转录现象说明：至少在某些生物，RNA同样同样兼有遗传信息传代与表达功能。兼有遗传信息传代与表达功能。对逆转录病毒的研究，拓宽了对逆转录病毒的研究，拓宽了20世纪初已注意世纪初已注意到的病毒致癌理论。到的病毒致癌理论。滚环复制滚环复制(rolling circle replication)三、滚环复制和三、滚环复制和D环复制环复制 是某些低等
36、生物的复制形式，如是某些低等生物的复制形式，如 X174和和M13噬菌体等。噬菌体等。滚环复制滚环复制滚环复制动画滚环复制动画 D环复制环复制(D-loop replication)是线粒体是线粒体DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)的复制形式。的复制形式。由由DNA聚合酶聚合酶-催化。催化。两条链的复制起点的位置不同。两条链的复制起点的位置不同。D环复制环复制H链链L链链DNA损伤（突变）与修复损伤（突变）与修复DNA Damage(Mutation)and Repair第五节第五节突变突变 (mutation)：是是由由遗遗传传物物质质结结构构改改变变而而引引起起的的遗
37、遗传传信信息息的的改改变变。从从分分子子水水平平来来看看，突突变变就就是是DNA分分子上碱基的改变。子上碱基的改变。DNA损伤损伤(DNA damage)：泛指一切泛指一切DNA结构和功能的变化。包括各结构和功能的变化。包括各种突变类型、碱基的损伤和种突变类型、碱基的损伤和DNA链的链的断裂。断裂。一、突变的意义一、突变的意义（一）突变是进化、分化的分子基础（一）突变是进化、分化的分子基础（二（二）突变导致基因型改变突变导致基因型改变（三（三）突变导致死亡突变导致死亡（四）突变是某些疾病的发病基础（四）突变是某些疾病的发病基础二、引发突变的因素二、引发突变的因素自发性自发性:自然错配率约为自然
38、错配率约为10-910-10 左右。左右。物理因素物理因素:如如UV(ultra violet)、各种辐射。、各种辐射。化学因素化学因素:烷化剂、碱基类似物、以及其他烷化剂、碱基类似物、以及其他一些人工合成或环境中存在的化学物质，这一些人工合成或环境中存在的化学物质，这些诱发突变的化学物质些诱发突变的化学物质,称为致癌剂。称为致癌剂。生物因素生物因素:抗菌素类、黄曲霉素和病毒等。抗菌素类、黄曲霉素和病毒等。物理因素物理因素化学因素化学因素常见的化学诱变剂常见的化学诱变剂化合物类别化合物类别作作 用用 点点分子改变分子改变碱基类似物碱基类似物如：如：5-BUA 5-BU G-A-T-G-C-羟胺
39、类（羟胺类（NH2OH）T C-T-A-C-G-亚硝酸盐（亚硝酸盐（NO2）C U-G-C-A-T-烷化剂烷化剂如：氮芥类，如：氮芥类，NitrominsG mGG mGDNA缺失缺失G三、突变的分子改变类型三、突变的分子改变类型错配错配(mismatch)缺失缺失(deletion)插入插入(insertion)重排重排(rearrangement)框移框移(frame-shift)DNA分子上的碱基错配称分子上的碱基错配称点突变点突变 (point mutation)发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另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。一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。1.
40、转换转换发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。或嘧啶变嘌呤。2.颠换颠换（一）错配（一）错配镰形红细胞贫血病人镰形红细胞贫血病人Hb(HbS)亚基亚基N-val his leu thr pro val glu C 肽链肽链CAC GTG基因基因正常成人正常成人Hb(HbA)亚基亚基N-val his leu thr pro glu glu C 肽链肽链CTC GAG基因基因1949年波林发现镰刀型细胞贫血症（病人的红年波林发现镰刀型细胞贫血症（病人的红血细胞为镰刀形）与血红蛋白结构异常相关。血细胞为镰刀形）与血红蛋白结构异常相关。（二（二）缺失、插入和框
41、移缺失、插入和框移缺失：缺失：一个碱基或一段核苷酸链从一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上大分子上消失。消失。插入：插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到到DNA大分子中间。大分子中间。框移突变框移突变是指三联体密码的阅读方式改变，造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。成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。缺失或插入都可导致缺失或插入都可导致框移突变框移突变。谷谷 酪酪 蛋蛋 丝丝5 G C A G U A C A U G U C 丙丙 缬缬 组组 缬缬正常正常5 G A G U A C A U G U C 缺失缺失C缺失引起框
42、移突变缺失引起框移突变（三（三）重排重排DNA分子内较大片段的交换，称为分子内较大片段的交换，称为重组或重排。重组或重排。由基因重排引起的两种地中海贫血基因型由基因重排引起的两种地中海贫血基因型四、四、DNA损伤的修复损伤的修复修复修复(repairing)是对已发生分子改变的补偿措施，使其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。回复为原有的天然状态。光修复光修复(light repairing)切除修复切除修复(excision repairing)重组修复重组修复(recombination repairing)SOS修复修复（一）光修复（一）光修复（二）切除修复（二）切除
43、修复是细胞内最重要和是细胞内最重要和有效的修复机制，主要有效的修复机制，主要由由DNA-pol和连接酶和连接酶完成。完成。UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶聚合酶OHPDNA连接酶连接酶NAD+E.coli的切的切除修复机制除修复机制切除修复动画切除修复动画切除修复对多种切除修复对多种DNA损伤起修复作用：损伤起修复作用：碱基脱落形成的无碱基位点碱基脱落形成的无碱基位点 嘧啶二聚体嘧啶二聚体 碱基烷基化碱基烷基化 单链断裂单链断裂 碱基错配碱基错配 庞大的化学附加物庞大的化学附加物 链间交联链间交联着色性干皮病着色性干皮病(xeroderma pigmentosis，XP)是切除修复缺
44、陷性的遗传病。是切除修复缺陷性的遗传病。XP病病人人细细胞胞对对嘧嘧啶啶二二聚聚体体和和烷烷基基化化的的清清除除能能力力降降低低，不不能能修修复复紫紫外外线线照照射射引引起起的的DNA损伤，因此易发生皮肤癌。损伤，因此易发生皮肤癌。（三）重组修复（三）重组修复（四）四）SOS修复修复当当DNA损损伤伤广广泛泛难难以以继继续续复复制制时时，由由此此而而诱诱发出一系列复杂的反应。发出一系列复杂的反应。在在E.coli，各各种种与与修修复复有有关关的的基基因因，组组成成一一个个称为称为调节子调节子(regulon)的网络式调控系统。的网络式调控系统。这这种种修修复复特特异异性性低低，对对碱碱基基的的识识别别、选选择择能能力力差差。通通过过SOS修修复复，复复制制如如能能继继续续，细细胞胞是是可可存存活活的的。然然而而DNA保保留留的的错错误误较较多多，导导致致较广泛、长期的突变。较广泛、长期的突变。