第九章dna的復制與修復

1、DNA 的第九章與修復下冊 P406DNA 是生物遺傳的主要物質(zhì)，DNA過程。9-1DNA即以原來 DNA 分子為模板出相同分子的生物系統(tǒng)的遺傳信息主要表現(xiàn)為 DNA 分子中特異的核苷酸排列順序。DNA 整個分子，可以將遺傳信息由親代傳給子代，堿基配對原理是遺傳信息傳遞的基本機制。（一） DNA 的半保留：一個親代DNA 分子變成兩個子代分子，每個子代分子雙鏈中一條來自親代分子，一條方式稱為半保留。見 P407 圖 34-2。是新的互補鏈，這種證實：同位素標記法在 15NH4Cl 培養(yǎng)基中連續(xù)培養(yǎng)E. coli 12 代，1.15N 標記的 E. coli 的 DNA。2. 半保留 證實：將

2、15N DNA 的E. coli 轉(zhuǎn)移到 14N 氮源中培養(yǎng)，一代后，所有 DNA密度介于 15N-DNA 和 14N-DNA 之間，形成一半含 15N，一半含 14N 的雜合分子。兩代后，14N 分子和 14N-15N 雜合分子等量出現(xiàn)。當把 14N-15N 雜合分子加熱變性，可分開成 14N-鏈和 15N-鏈兩條鏈，且這些亞 經(jīng)許多代仍保持完整性。DNA 半保留形式。即使一些機制可以說明DNA 在代謝上的穩(wěn)定性，是所有已知的在生命周期一部分中出現(xiàn)單鏈 DNA，但時必為雙鏈DNA。（二） DNA的起點和方式：叉：DNA在同一部位同時進行。生長點處形為叉形，故稱為叉。新 DNA與親代DNA 解

3、鏈DNA時大多是雙向進行，形成兩個叉或生長點。也有單向的，只形成一個復制叉或生長點。見 P408 圖 34-4。對稱：兩條鏈同時進行。不對稱：一條鏈后再進行另一鏈的。環(huán)形 DNA時在顯微鏡下可以看到形如眼形的型結(jié)構(gòu)。P409 圖 34-5。P411 圖 34-8 顯示了DNA 不同方式。A：直線雙向，E：滾動環(huán)，B：多起點雙向，F(xiàn)：D 環(huán)，C：型雙向，G：2D 環(huán)。D：型單向，細菌 DNA中 20 分鐘即可叉移動速度大約為 5 萬 bp/分，E. coli 完成一次。40 分鐘，在豐富培養(yǎng)基（三） DNA 聚合反應有關(guān)的酶：（1） DNA 聚合反應和聚合酶1.DNA 聚合反應需要下面五個要素底

4、物：四種脫氧核苷三磷酸（dATP，dGTP，dCTP 和 dTTP），統(tǒng)稱為 dNTP，且四種都必須存在。模版：指導反應進行。模版可以是單鏈 DNA，也可以是在一處或幾處斷開的雙鏈DNA。引物鏈：為具有 3-OH 的 RNA（體內(nèi)）或DNA（體外）短鏈。DNA 聚合酶：為模板指導酶，按模版將一個個 dNTP 根據(jù)堿基配對原則催化加成在引物鏈的 3-OH 端上。Mg2+2 DNA 聚合酶反應特點： 以四種脫氧核糖核苷三磷酸為底物。 反應需接受模板指導。 反應需引物 3-OH 存在。 DNA 生長方向為 5 3，新 產(chǎn)物 DNA 性質(zhì)與模板相同，為模板相對比例無關(guān)。鏈與模板鏈互補。物，與何種聚合酶

5、及四種核苷酸前體的（2）大腸桿菌DNA 聚合酶E. coli 共含有五種不同的 DNA 聚合酶。DNA 聚合酶單一多肽鏈，分子量 103000，是一個多功能酶，可以催化以下反應：1. 聚合反應，使 DNA 鏈沿 5 由 3端水解 DNA 鏈，為 3 3方向延伸。 5核酸外切酶，可迅速切除錯配的核苷酸，具有校對功能，使DNA錯誤率從 10-5 降至 510-7。 由 5端水解DNA 鏈，為 5 3核酸外切酶，用于 DNA物及 DNA 損傷修復。 由 3端使DNA 鏈發(fā)生焦磷酸解，為聚合反應逆反應。 無機焦磷酸鹽與 dNTP 之間焦磷酸基交換。此酶在 E. coli 體內(nèi)由于催化聚合速度慢，主要負

6、責切除和修復。中切除引DNA 聚合酶被蛋白水解酶有限水解，可生成兩個片斷：大片斷稱為Klenow 片斷，有聚合酶和 3 5核酸外切酶活性；小片斷具有 5酸外切酶活性。DNA 聚合酶和： 3核2.均為多亞基酶，均有聚合 DNA 和 3 5核酸外切酶，但無 53外速度達到切酶。聚合酶可能與 DNA 修復有關(guān)，聚合酶由于催化了體內(nèi) DNA速度（為聚合酶的 100 倍），是 E. coli 真正負責重新DNA 的酶。新近發(fā)現(xiàn)的DNA 聚合酶和，參與易錯鏈的修復。DNA 連接酶：DNA 聚合酶只能催化鏈延長，而催化兩條鏈的末端之間形成共價連接則由連接酶完成。連接酶要求：3.一條 DNA 鏈 3端有OH，

7、另一條 DNA 鏈 5端有一磷酸，連接反應需供能，細菌由 NAD 供能，動物和噬菌體由 ATP 供能。P417 圖 34-17DNA 連接酶催化的反應。一般要求需要連接的兩條鏈，由互補鏈將它們聚在一起形成雙螺旋結(jié)構(gòu)（使缺口閉合），而不能將兩條游離的 DNA 分子連接起來。（四） DNA 的半不連續(xù)（1） 問題的提出：DNA 兩條鏈反向平行，一條鏈為 5 3，另一條鏈為 3 5，但所有 DNA 聚合酶方向都是在引物 3-OH 上，使鏈從 5 3延長，那么 5 3鏈是如何同時作為模板呢？模型（P418 圖 34-18），認為新的 3 1968 年提出DNA 不連續(xù)5的DNA 鏈實際上是有許多 5

8、3方向的 DN斷連接起來的。（2）DNA 半不連續(xù)：DNA時，以 3 5方向為 5為模板鏈的 3，與復為模板的一條鏈制叉方向一致，稱為前導鏈；另一條以 5 叉移動的方向相反，稱為滯后鏈，其3鏈與是不連續(xù)的，先形成許多不連續(xù)的片斷（DNA片斷），最后連成一條完整的 DNA 鏈。（3）由 RNA 引物：DNA 聚合酶不能發(fā)動新鏈的，只能催化已有鏈的延長；RNA 聚合酶則新 RNA 鏈。因此在體內(nèi)先由不同，只要有模板存在，不需引物，就可以RNA 聚合酶RNA 引物，DNA 聚合酶再從 RNA 引物的 3-OH 端開始新的 DNA 鏈。催化 RNA 引物的酶稱為引物酶。引物長度通常只有幾個10 多個核

9、苷酸，片斷也需要引物。RNA 引物的消除和缺口填補是由 DNA 聚合酶完成的，最后由 DNA 連接酶連接。（4）DNA的復雜性保證了的高度忠實性。E. coli時，每個堿基對錯配頻率為 10-910-10，是高保真系統(tǒng)。新 DNA 鏈時需引物，引物后又要切除，再以 DNA 鏈取代，DNA 聚合酶在時還有校對功能，每引入一個核苷酸都要復查一次，未核實則不能繼續(xù)進行聚合反應。在過程中還有許多輔助蛋白，E. coli 就至少有 15 種。叉的復雜結(jié)構(gòu)進一步提高DNA準確性。還存在正調(diào)控和負調(diào)控，調(diào)控分子可以是蛋白質(zhì)，也可以是 RNA。DNADNA（五）的拓撲性質(zhì)：時首先需將超螺旋解開。DNA 拓撲異

10、構(gòu)酶通過切斷與封閉DNA 骨架上的磷酸二酯鍵而使 DNA 解旋，此過程熱力學有利，不需 ATP，每次反應改變L=+1；具有類似功能還有拓撲異構(gòu)酶。DNA后，由拓撲異構(gòu)酶使 DNA連續(xù)引入負超螺旋，需能由 ATP 供給，每次反應改變 DNA 連環(huán)數(shù)為L=-2。在 DNA 解鏈后，由單鏈結(jié)合蛋白（SSB）覆蓋，穩(wěn)定 DNA 單鏈，復性和保護不被核酸酶降解。DNA（六）DNADNA的過程：可分為三個階段：起始、延伸和終止。其間的反應和參與作用的酶與輔助因子各有不同。在 DNA的生長點即叉上分布著各種各樣與有關(guān)的酶和蛋白因子（至少 50 種以上），它們體結(jié)構(gòu)示意圖如 P423 圖 34-22 所示。體

11、的基本活動包括： 雙鏈的解開；延長； 切除 RNA 引物，填補缺口，連接 DN真核生物的 DNA 通常都與組蛋白結(jié)合，的復合物稱為體。大腸桿菌RNA 引物的； DNA 鏈的斷； 切除和修復錯配堿基。核小體，以染色質(zhì)的形式存在于細胞核中。過程需疏松染色質(zhì)和解開核小體，后又需裝配并凝縮成，再分配到兩個子細胞中去。真核生物有五種 DNA 聚合酶，其中 DNA 聚合酶引物，是酶，是線粒體酶，和是修復酶。真核生物DNA 的末端有端粒結(jié)構(gòu)，端粒是由端粒酶的。端粒是由許多成串短的重復序列組成，該重復序列通常一條鏈上富含 G，而其互補鏈上富含 C。人的端粒為 TTAGGG，TG 鏈常比 AC 鏈更長些，形成

12、3單鏈末端。端粒的功能為間末端連接，并可補償滯后鏈 5末端在消除 RNA穩(wěn)定末端結(jié)構(gòu)，防止使端粒 5末端縮短，而端粒酶可外加重復到 5末端上，引物后造成的空缺結(jié)果維持端粒一定長度。端粒酶是一種催化含有約 150 個堿基的 RNA 鏈的逆轉(zhuǎn)錄酶，它以酶中所含RNA 為模板DNA 的 3末端（P427 圖 34-24），一個重復后酶再向前移動一個。在動物生殖細胞中，由于端粒酶的存在，端粒一直保持著一定的長度，體細胞隨著分化而失去端粒酶活性。在缺乏端粒酶活性時，細胞連續(xù)短，短到一定程度即引起細胞生長停止或凋亡。端粒在決定細胞將使端粒不斷縮中起重要作用，經(jīng)過多代培養(yǎng)老化的細胞端粒變短，也變得不穩(wěn)定。然

13、而，主要的腫瘤細胞中均發(fā)現(xiàn)存在端粒酶活性，因此設(shè)想端粒酶可作為抗癌治療的靶位點。9-2DNA 的損傷修復DNA過程中可能產(chǎn)生錯配，DNA 重組，的整合等都會局部破壞 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)。某些物理化學從而引起生物突變、，如紫外線，輻射和化學誘變劑等都能使 DNA 結(jié)構(gòu)和功能破壞，甚至。為此生物已進化了如下一些保護自己，修復損傷DNA 的系統(tǒng)。（一）錯配修復：識別錯配位點以及“新”“舊”鏈，將錯配新鏈切除并加以修復。如 E. coli體內(nèi)有一種甲基化酶，使DNA 序列中腺嘌呤 N6 位甲基化（可維持數(shù)分鐘），發(fā)現(xiàn)錯配堿基，即將未甲基化的新鏈切除。E. coli 參與錯配修復的蛋白質(zhì)至少有 12 種

14、。（二）活修復（直接修復）：它分解紫外線引起的嘧啶二聚體。光照下活酶激活，分解嘧啶二聚體，如 P429 圖 34-28。這種修復對植物特別重要，高等動物沒有。（三）切除修復：在一系列酶作用下，將DNA 分子中受損傷部分切除掉，并以完整的那一條鏈為模板，切去的部分，然后使 DNA 恢復正常。是比較普遍的修復機制，有多種酶參加，見 P430 圖 34-29。切除修復若有關(guān)酶缺乏，可導起的 DNA 損失若不能修復，會出現(xiàn)皮膚癌。切除修復為前修復。癥，如紫外線引（四）重組修復：為后修復。當DNA 發(fā)動時尚未修復的損傷部位先再修復，如 P430 圖 34-30 所示。時遇損傷部位先跳過去，在子代鏈對應損

15、傷處先留下缺口，然后從另一條完整DNA 母鏈上將相應核苷酸序列片斷移至子鏈缺口處，最后再用的序列來補上母鏈的空缺。也有一系列酶參加。（五）應急反應（SOS）和易錯修復：上述 DNA 損傷修復功能可以不經(jīng)誘導而發(fā)生。而許多能造成DNA 損傷或抑制的處理卻能引起一系列復雜的誘導效應，稱為應急反應。SOS 反應包括誘導DNA 損傷修復、誘變效應、細胞能與 SOS 反應有關(guān)。的抑制等。細胞可SOS 反應是細胞DNA 受到損傷或系統(tǒng)受到抑制的緊急情況下，為求生存而出現(xiàn)的應急效應。SOS 反應誘導的修復系統(tǒng)包括避免差錯的修復和易產(chǎn)生差錯的修復兩類。易產(chǎn)生差錯的修復會導致變異，變異一方面有利于生物進化，另一方面可。如 X-射線，黃曲霉素等都能在細菌中誘導產(chǎn)生 SOS 反應，由此可根據(jù)大多細菌的SOS 反應檢測對動物誘發(fā)腫瘤的物。9-3DNA 的突變DNA 作為遺傳物質(zhì)有三個功能：（一）突變類型：，轉(zhuǎn)錄和變異（包括突變和遺傳重組）。堿基對置換：原來一個堿基被另一堿基所取代。移碼突變：由于一個或多個非三整倍數(shù)的核苷酸對的或缺失，使