第 13 章 DNA 的生物合成 - 复 制 DNA Biosynthesis--Repication

本章主要内容 中心法则 DNA 复制的半保留性 DNA 的复制过程 DNA 的损伤和修复 反转录

Watson and Crick ， 1953 人类科学发展历史 上的伟大里程碑。

现代生物化学和分子生物学的一个最基本的观点 —— 在生命 有机体中，基因是唯一能够复制，并且能永远存在的单位， 而 其意义最终须通过蛋白质才体现出来。 从 DNA 到蛋白质，遗传信息的流动遵循着中心法则。 1 中心法则

2 DNA 的半保留复制 半保留复制（ semiconservative replication ） 即新的双链 DNA 中，一股链来自模板， 一股链为新合成的。 半保留复制的意义 复制的这种方式可保证亲代的遗 传特征完整无误的传递给子代，体 现了遗传的保守性。 复制的这种方式可保证亲代的遗 传特征完整无误的传递给子代，体 现了遗传的保守性。

半保留复制实验依据 1958 年 M.Messelson 等用实验予以 了证实 双螺旋结构是半保留复制的分子 基础

（以原核生物 大肠杆菌为例） 1. 原料： dNTP ， Mg 双链 DNA 模板 3. 引物（ primer ），小片段的 DNA 或 RNA ，常是 RNA ，有游离的 3’OH 。 4. 引物酶（ primase ， DnaG ），用于合成复制所必需的 RNA 引物 5. 解螺旋酶 ( helicase ), DnaB, 由 DnaA 和 DnaC 协助在复制的起始点 （ Ori C ）上解开双螺旋。 3 DNA 的复制过程 3.1 与复制有关的酶和因子

6. 单链结合蛋白（ SSB ， single stranded binding protein ）稳定已经解开 成两股的 DNA 单链，防止其退火复性。 7. 拓扑异构酶 (DNA topoisomerase) DNA 分子中存在打结，缠绕、连环的超螺旋现象。 I 型酶： 切开双链中的一股，使 DNA 不致打结，切口的 3’ 端可通过自 由转动一周再与 5’ 端磷酸连接，不需 ATP 。 II 型酶：切断处于超螺旋状态中双股链中的某个部位，通过切口使 超螺旋松弛，利用 ATP 使 DNA 恢复复制所要求的负超螺旋状态。 ( 注 : 拓扑一词的含义是指物体或图象作弹性移位而又保持物体不变的性质。 )

DNA 片段 RNA 片段 注意 核苷酸之间的连接方式是 3 ’ ， 5 ’ - 磷酸二酯键

8. DNA 聚合酶（ DNA polymerase ） 聚合酶 III —— 主要的复制酶，兼有校读、纠错的功能 有从 5’——3’ 延伸多核苷酸链的聚合酶活性，有模板依赖性，其延伸的方式 是依据碱基互补配对的原则，将原料 dNTP 与末端核苷酸游离的 3’ OH 以 3’,5’ 磷酸二酯键连接，同时释出一个 PPi 。 DNA 聚合酶延伸多核苷酸链的方向总是 5’ 3’ 有从 3’——5’ 外切酶的活性，以切除可能错配的核苷酸

聚合酶 I 用于切除引物 RNA, 并填补留下的空隙 有从 5’——3’ 延伸多核苷酸链的聚合酶的活性； 有从 3’——5’ 外切酶的活性，以切除可能错配的核苷酸； 有从 5’——3’ 外切酶的活性，其作用是切除引物 聚合酶 II 活性弱, 作用与聚合酶 III 相似 有从 5’——3’ 延伸多核苷酸链的聚合酶活性； 有从 3’——5’ 外切酶的活性

DNA 聚合酶Ⅰ DNA 聚合酶Ⅱ DNA 聚合酶Ⅲ 不同种类亚基数目 1≥7≥10 相对分子质量 ´→3´ 核酸聚合酶活 性 +++ 3´→5´ 核酸外切酶活 性 +++ 5´→3´ 核酸外切酶活 性 +-- 聚合速度（核苷酸 / 分） 1 000~ ~ 持续合成能力 3~ ≥ 分子数 / 细胞 ~20 功能切除引物，修复修复复制

真核的 DNA 聚合酶 真核 DNA 的复制至少涉及 5 种复制酶，其中 α 、 δ 、 ε 参与染色体 DNA 的复制。 α 有引物要求； β 负责 DNA 的修复； γ 的功能是线粒体 DNA 的复制。

9. DNA 连接酶（ ligase ） 将不连续的 DNA 片段以 3’ ， 5’ 磷酸二酯键连接起来，原核 生物通过分解 NAD 为 NMN 和 Pi 提供能量，真核生物则消耗 ATP

复制的起始在原核生物只有一个起始点（ OriC ），而在真核生物有 多个起始点。 由 DnaB （解螺旋酶）在 DnaA 和 DnaC 协助下解链，形成复制叉 （ replication fork ）， SSB 结合并稳定解开的单股 DNA 链；引物酶 （ DnaG ）与上述因子、酶构成引发体（ primosome ），并合成 RNA 引物。解链造成的超螺旋，由拓扑异构酶实现超螺旋的转型， 即把正超螺旋转变为有利于复制的负超螺旋。 3.2 DNA 复制过程 复制的起始

复制起始点 原核 真核 复制叉

这个过程由 DNA 聚合酶 III 催化，它是主要的复制酶。 领头链（ leading chain ）：为连续合成，合成方向与解链方向一致， 它的模板 DNA 链是 5’——3’ 链。 滞后链（ lagging chain ）：不连续合成，在 RNA 引物基础上分段合 成 DNA 小片段（冈崎片段），方向与解链方向相反，它的模板 DNA 链是 3’——5’ 链。 由此可见，整个 DNA 分子的复制是半不连续的。 多核苷酸链的延伸

半不连续复制示意图

复制叉的结构及参与复制的酶与因子

复制的终止 由 DNA 聚合酶 I 完成切除引物，并且填补空隙，由 DNA 连接酶将 DNA 片段连接起来。

在真核生物，由端粒酶（ telomerase ）催化, 在真核线性 DNA 的 末端形成一种特殊的结构并与蛋白质结合成端粒（ telomere ）。 端粒由成百个 6 个核苷酸的重复序列所组成（人为 TTAGGG ， 四膜虫为 TTGGGG ）。端粒的功能为稳定染色体的末端结构， 防止染色体间末端连接，并可补偿滞后链 5′- 末端在消除 RNA 引物后造成的空缺。复制可使端粒 5′ 末端缩短，而端 粒酶（ telomerase ）可外加重复单位到 5′- 末端上，结果使 端粒维持一定的长度。

胸腺嘧啶二聚体 DNA 的突变 ( 损伤 ) 大多数是 自发的，是进化与分化的基础。 环境中的理化因素，如紫外 辐射引起两个嘧啶碱基的共价 聚合。许多化学诱变剂，它们 常是致癌物, 如亚硝酸盐，常 导致 DNA 突变。 DNA 的突变有点突变（碱基 的错配）、碱基的缺失、 DNA 片 段的重排等形式。 4 DNA 的损伤与修复 4.1 DNA 的损伤

直接修复：如光复活酶, 普遍存在在生物机体中, 可以把嘧啶二聚 体恢复正常状态。 切除修复：找出损伤位置并切除，进行修复合成并连接。 重组修复： 先复制再修复。子代链在对应模板链的损伤 处留下 缺口，先将同源母链 DNA 上相应的核苷酸片段转移替补，然后 再合成一段序列填充缺口。 SOS 系统：复杂的应急反应。既有避免差错的修复又有引起差错 的修复，后者有高变异率但也增加了生存机会。 4.2 DNA 损伤的修复

切除修复 重组修复

逆转录也称反转录，是以 RNA 为模板合成 DNA 的特殊复制方式（在某 些生物如鸡的肉瘤病毒、 HIV 等）。 它们的遗传信息载体是 RNA 而不是 DNA 。因此，在感染细胞时， 首先经过逆转录作用成为双链 DNA ，才能整合到宿主基因组中去。 这个过程由逆转录酶催化，它具有以单链 RNA 为模板合成与其互 补的 DNA （ cDNA ），再水解杂交链上的 RNA 以及以 cDNA 为模板合成 双链 DNA 三种活性。 逆转录现象和逆转录酶（ reverse transcriptase ）（ H. Temin ， 1970 ） 是分子生物学研究中的重大发现，是对经典中心法则重要补充。 5 逆转录作用（ reverse transcription ）

逆转录作用图

本章结束