第2章 染色体与DNA.ppt

1、第二章 染色体与DNA,主要内容,一、染色体 二、 DNA的组成与结构 三、 DNA的复制 四、原核与真核生物DNA的复制特点 五、DNA的修复 六、DNA的转座,一、染色体(chromosome)的组成与结构,1、染色体概述,染色体（chromosome）:遗传信息的载体，由DNA、RNA和蛋白质构成的 ,其形态和数目具有种系的特性。在细胞间期核中，以染色质丝形式存在。在细胞分裂时，染色质丝经过螺旋化、折叠、包装成为染色体，为显微镜下可见的具不同形状的小体。 染色体在遗传上起主要作用，因为亲代能够将自己的遗传物质DNA以染色体的形式传给子代，保持物种的稳定性和连续性。,染色体的形态示意图,真

2、核细胞与原核细胞结构的比较,2、真核生物染色体的组成与结构,染色体作为遗传物质的特征： 分子相对稳定； 能自我复制，保持遗传连续性； 能指导蛋白质合成，控制生命过程； 能产生可遗传的变异,真核细胞具有明显的细胞结构，除了性细胞外，真核细胞的染色体都是二倍体。而性细胞的染色体为单倍体。,DNA的分布,（所以说，染色体是DNA的主要载体）,例：紫茉莉叶色的遗传,染色体的组成与结构,组成: (1) 蛋白质 组蛋白(histone)：呈碱性，结构稳定；与DNA结合形成核小体，能维持染色质结构，与DNA含量呈一定的比例（真核细胞中，DNA与组蛋白的质量比约为1：1）。 非组蛋白：呈酸性，种类和含量不稳定

3、；作用还不完全清楚，可能与染色质结构调节有关，在DNA遗传信息的表达中起调控作用。 (2)DNA：约占30%，每条染色体有一个双链DNA分子。 是遗传信息的载体，也就是所称的遗传物质。 (3)另外，可能存在少量的RNA（尚未完成转录而仍与模板DNA相连接的那些RNA，其含量不到DNA的10%）。,组蛋白的特性,组蛋白分为H1、H2A、H2B、H3、H4，主要特性： （1）进化上的极端保守性（不同生物组蛋白的氨基酸组成非常相似） （2）无组织特异性:到目前为止，仅发现鸟类、鱼类及两栖类红细胞染色体不含H1而带有H5，精细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白(例外)。 （3）肽链上AA分布的不对称性:碱性氨

4、基酸集中分布在N端的半条链上。而大部分疏水基团都分布在C端。 （4）存在较普遍的修饰作用:包括甲基化、乙酰化、磷酸化及ADP核糖基化等,在细胞周期特定时间可发生甲基化、乙酰化、磷酸化和ADP核糖基化等。H3、H4修饰作用较普遍，H2B有乙酰化作用、H1有磷酸化作用。所有这些修饰作用都有一个共同的特点，即降低组蛋白所携带的正电荷。,这些组蛋白修饰的意义：一是改变染色体的结构，直接影响转录活性；二是核小体表面发生改变，使其他调控蛋白易于和染色质相互接触，从而间接影响转录活性。,组蛋白的可修饰性,真核细胞DNA种类,（1）不重复序列：在单倍体基因组里，这些序列一般只有一个或几个拷贝，它占DNA总量的

5、40%80%。不重复序列长约7502000bp，相当于一个结构基因的长度。 结构基因基本属于不重复序列，如蛋清蛋白、血红蛋白和珠蛋白等都是单拷贝基因。,真核生物基因组DNA 含有大量重复序列，功能DNA序列大多被不编码蛋白质的非功能DNA所分割。,2、 中度重复序列 这类序列的重复次数在101104之间，占总DNA的10%40%，如小鼠中占20%，果蝇中占15%，各种rRNA、tRNA以及某些结构基因如组蛋白基因等都属于这一类。中度重复序列往往分散在不重复序列之间。,非洲爪蟾的rRNA基因结构示意图,3、高度重复序列卫星DNA 只存在于真核生物中，占基因组的10%-60%，由6-100个碱基组

6、成，在DNA链上串联重复高达数百万次。 它们是异染色质的成份，卫星DNA不转录，其功能不详，可能与染色体的稳定性有关。,真核生物染色体的组成,真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内。 在细胞周期的大部分时间里，DNA以松散的染色质(chromatin)形式存在，在细胞分裂期，则形成高度致密的染色体(chromosome)。,DNA染色质呈现出的串珠样结构。 染色质的基本单位是核小体(nucleosome)。,DNA：约200bp 组蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4,核小体的组成,核小体是由H2A、H2B、H3、H4各两个分子生成的八聚体和由大约200bpDNA组成的。八聚体在中间，

7、DNA分子盘绕在外，而H1则在核小体的外面。每个核小体只有一个H1。 在核小体中DNA盘绕组蛋白八聚体核心，从而使分子收缩成1/7，200bpDNA的长度约为68nm，却被压缩在10nm的核小体中。,核小体串珠样的结构,核小体结构示意图,核心颗粒包括组蛋白八聚体及与其结合的146bp DNA，该序列绕在八聚体外面1.75圈，每圈约80bp。,染色体的 结构模型,DNA+组蛋白 核小体+连接丝,核小体+连接丝 螺线管（solenoid）,螺线管 超螺线管（super-solenoid）,超螺线管 染色体,双链DNA的折叠和组装,DNA经过多次折叠，被压缩了800010000倍，组装在直径只有为数

8、微米的细胞核内。,染色体形成过程中长度与宽度的变化,真核生物基因组结构特点,真核基因组结构庞大 3109bp 含有大量重复序列 非编码区较多 多于编码序列(9:1) 基因的转录产物为单顺反子 基因不连续性 （断裂基因）:内含子(intron)、 外显子(exon) 真核基因组有端粒结构 真核基因组中存在大量的DNA多态性,真核基因组具有独特的结构特点,（一）真核基因组结构庞大,哺乳类动物基因组DNA 约 3109碱基对。,人编码基因约4万个，编码序列仅占总长的1%。,rDNA等重复基因约占5%10%。,（二）真核基因转录产物为单顺反子,单顺反子(monocistron) 即一个编码基因转录生成

9、一个mRNA分子，经翻译生成一条多肽链。,（三）真核基因组含有大量的重复序列,真核结构基因两侧存在有不被转录的非编码序列，往往是基因表达的调控区。在编码基因内部尚有内含子（intron）、外显子（exon）之分，因此真核基因是不连续的。,（四）真核基因中存在非编码序列和间隔区，故：具有不连续性,真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，去除非编码区再连接后，可翻译出由连续氨基酸组成的完整蛋白质，这些基因称为断裂基因。,断裂基因(splite gene),编码区 A、B、C、D,外显子(exon)和内含子(intron),外显子：在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表

10、达为成熟RNA的核酸序列。内含子：隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。,鸡卵清蛋白基因,hnRNA,首、尾修饰,hnRNA剪接,成熟的mRNA,鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰,（五）真核基因组存在大量的顺式作用元件,不同物种、不同细胞或不同的基因，转录起始点上游可以有不同的DNA序列，但这些序列都可统称为顺式作用元件(cis-acting element)。,一个典型的真核生物基因上游序列:,顺式作用元件包括启动子、启动子上游元件(upstream promoter elements)或promoter-proximal elements)等近端调控元件和增强子(enhanc

11、er)等远隔序列。 起始点上游多数有共同的TATA序列，称为Hognest盒或TATA盒(TATA box)。通常认为这就是启动子的核心序列。,端粒(telomere),指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。,端粒的功能：,维持染色体的稳定性 维持DNA复制的完整性,端粒的结构特点：,由末端单链DNA序列和蛋白质构成。 末端DNA序列是多次重复的富含G、C碱基的短序列。,TTTTGGGGTTTTGGGG,（六）真核基因组有端粒结构,线性DNA复制的末端,端粒酶(telomerase),端粒酶RNA (human telomerase RNA, hTR) 端粒酶协同蛋白(human telo

12、merase associated protein 1, hTP1) 端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse transcriptase, hTRT),组成：,端粒酶催化作用的爬行模型,3、原核生物基因组特点,原核生物的基因组很小，大多只有一条染色体，且DNA含量少。如大肠杆菌DNA的相对分子质量仅为4.6106bp，其完全伸展总长约为1.3mm，含4000多个基因。, 基因组很小，大多只有一条染色体 结构简炼 存在转录单元(trnascriptional operon)多顺反子(polycistron) 有重叠基因（Sanger发现）,原核生物基因组结构特点,基因内

13、基因 部分重叠基因 一个碱基重叠,核酸组成,二、 DNA的组成与结构,1、化学组成与基本单位,核苷酸是构成核酸的基本组成单位,碱基(base)是含氮的杂环化合物。,碱基,嘌呤,嘧啶,腺嘌呤,鸟嘌呤,尿嘧啶,胸腺嘧啶,胞嘧啶,存在于DNA和RNA中,仅存在于RNA中,仅存在于DNA中,碱基,两种核酸的主要区别如下： （1）DNA含的糖分子是脱氧核糖，RNA含的是核糖； （2）DNA含有的碱基A、C、G、TRNA含有的碱基A、C、G、U,（3）DNA通常是双链，而RNA主要为单链； （4）DNA的分子链一般较长，而RNA分子链较短。,嘌呤(purine，Pu),腺嘌呤(adenine, A),鸟嘌

14、呤(guanine, G),嘧啶(pyrimidine，Py),胞嘧啶(cytosine, C),尿嘧啶(uracil, U),胸腺嘧啶(thymine, T),有些核酸中还含有修饰碱基(或稀有碱基)， 一般这些碱基在核酸中的含量稀少。,戊糖,脱氧核苷,嘌呤N-9 或嘧啶N-1与脱氧核糖C-1通过-N-糖苷键相连形成脱氧核苷(deoxyribonucleoside)。,嘌呤N-9或嘧啶N-1与核糖C-1通过-N-糖苷键相连形成核苷(ribonucleoside)。,核苷,N,N,N,N,9,N,H,2,O,O,H,O,H,H,H,H,C,H,2,O,H,H,1,2,糖苷键,核苷或脱氧核苷与磷酸

15、通过酯键结合构成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。,核苷酸(ribonucleotide),C,G,A,交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架 (backbone)。,DNA链的方向是5 3,2、DNA的结构,1） 概念指4种脱氧核苷酸的连接及其排列顺序, DNA序列是这一概念的简称。,DNA的一级结构,定义 核酸中核苷酸的排列顺序。 由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。,核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序,3、 DNA的二级结构,DNA的二级结构,是指两条多核苷酸链反向平行盘绕所生成的双螺旋结构,分两大类 右手螺旋：

16、 A-DNA， B-DNA 左手螺旋： Z-DNA,50年代初，Chargaff应用紫外分光光度法结合纸层析等简单技术，对多种生物DNA做碱基定量分析，发现DNA碱基组成有如下规律:,3、DNA的二级结构,(1)同一生物的不同组织的DNA碱基组成相同； (2)一种生物DNA碱基组成不随生物体的年龄、营养状态或者环境变化而改变； (3)几乎所有的DNA，(A=T)，(G=C)，(AG =CT); (4)不同生物来源的DNA碱基组成不同，表现在AT/GC比值的不同。,DNA double helix (DNA双螺旋结构),1. X-线衍射实验数据表明DNA是一种规则螺旋结构。,1953，Watso

17、n 和 Crick 基于三个方面的发现, 提出了DNA双螺旋模型：,2. DNA密度测量说明这种螺旋结构应有两条链。,3. 不论碱基数目多少，G的含量总是与C一样，而A与T也是一样的。,两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行(anti-parallel)。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋(right-handed)的结构。双螺旋结构的直径为2.0nm，相邻碱基对平面的距离为0.34 nm。 脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。 双螺旋结构的表面形成了一个大沟(major groove)和一个小沟(minor groove)。,DNA双螺旋结构模型要点

18、,1.DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构,绕DNA双螺旋表面上出现的螺旋槽（沟），宽的沟称为大沟，窄沟称为小沟。大沟，小沟都是由于碱基对堆积和糖-磷酸骨架扭转造成的。,亲水性的骨架位于双链的外侧。 疏水性的碱基位于双链的内侧。,骨架与碱基,2.DNA双链之间形成了互补碱基对,碱基配对关系称为碱基互补配对原则。 DNA的两条链则互为互补链(complementary strand)。 碱基对平面与螺旋轴垂直。,碱基互补配对: 鸟嘌呤(G)/胞嘧啶(C),碱基互补配对: 腺嘌呤(A)/胸腺嘧啶(T),相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力(base stacking interacti

19、on)。 碱基堆积力和互补碱基对的氢键共同维系着DNA结构的稳定。,3.疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定。,碱基堆积作用力,DNA二级结构的多态性,B-DNA：Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构属于B型双螺旋，它是以在生理盐水溶液中抽出的DNA纤维在92%相对湿度下进行X-射线衍射图谱为依据进行推测的，这是DNA分子在水性环境和生理条件下最稳定的结构。 A-DNA：在钾或铯离子存在条件下，相对湿度为75%时的X-射线衍射图，A-DNA每螺旋含11个碱基对。而且变成A-DNA后，大沟变窄、变深，小沟变宽、变浅。(一条链为RNA链),对基因表达有重要意义。,A,B,Z,

20、左手螺旋Z-DNA只是右手螺旋结构模型的一个补充和发展。,三种DNA构型的比较,B-DNA是活性最高的DNA构象， B-DNA变构成为A-DNA后，仍有活性，但若局部变构为Z-DNA后则活性明显降低。,三种不同构象的DNA活性,4、DNA的高级结构,DNA的高级结构是指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。,超螺旋结构是DNA高级结构的主要形式。,4、DNA的高级结构是超螺旋结构,超螺旋结构(superhelix 或supercoil) DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。,正超螺旋(positive supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。,负超螺旋(negativ

21、e supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。,在特殊情况下可以相互转变。,原核生物DNA的环状超螺旋结构,原核生物DNA多为环状，以负超螺旋的形式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。,天然的DNA都呈负超螺旋，但在体外可得正超螺旋。,超螺旋的生物学意义B-DNA是一种热力学上稳定的结构，超螺旋的引入就提高了它的能量水平。 DNA特定区域中超螺旋的增加有助于DNA的结构转化。 超螺旋推动着结构的转化以满足功能上的需要。,三、DNA的复制 (DNA replication),DNA做为遗传物质的基本特点就是在细胞分裂前进行准确地自我复制 (self-replication)，使

22、DNA的量成倍增加，这是细胞分裂的物质基础。 曾经有过多种关于DNA复制方式的学说，包括半保留复制，全保留复制以及分散复制等。,全保留复制 :复制后，两条母链彼此结合，恢 复原状，新合成的两条子链彼此互补结合形成新 的双链。 分散复制: 亲代双链被切成双链片段，而这些 片段又可作为新合成双链片段的模板，新、老双 链片段又以某种方式聚集成“杂种链”,Semi-conservative Conservative Dispersive,1、定义：由亲代DNA生成子代DNA时，每个新形成的子代DNA中，一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的，这种复制方式称半保留复制。,（一）DNA的半保留复制（

23、semi-conservative replication）,2、实验证据（1958 Meselson 和Stahl ）：,Matthew Messelson Franklin Stahl,1958年Meselson和Stahl利用氮标记技术在大肠杆菌中首次证实了DNA的半保留复制（实验验证）,1.大肠杆菌长期在含15NH4CL培养液中培养，使所有细菌DNA都被N15标记。 2.用普通培养液（14NH4CL）培养15N标记的大肠杆菌。,3、DNA半保留复制的生物学意义：,DNA的半保留复制表明DNA在代谢上的稳定性，保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代。,（二）与DNA复制有关的物质,1、原料：

24、四种脱氧核苷三磷酸（dATP、dGTP、dCTP、dTTP) 2、模板：以DNA的两条链为模板链，合成子代DNA 3、引物：DNA的合成需要一段RNA链作为引物,4、DNA复制酶和相关蛋白质,4、DNA复制酶和相关蛋白质 与超螺旋松驰有关的酶-拓扑异构酶 DNA解螺旋酶/解链酶（DNA helicase) 引物合成酶（引发酶） 引发体(primosome) 单链结合蛋白(SSB) DNA聚合酶 DNA连接酶,DNA拓扑异构酶 改变DNA超螺旋状态,复制过程正超螺旋的形成：拓扑在物理学上是指物体或图像做弹性位移而保持物体原有的性质,解链过程中正超螺旋的形成：复制解链沿同一方向旋转，复制速度快，会

25、造成复制叉前方的DNA分子打结，缠绕，连环现象。,既能水解 、又能连接磷酸二酯键。可将打结或已打结处的切口，下游的DNA穿越切口并作一定程度旋转，把结打开或者解松，然后旋转复位连接,拓扑异构酶拓扑异构酶,拓扑异构酶分类：,拓扑异构酶作用特点：,拓扑异构酶,切断DNA双链中一股链，使DNA解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，DNA变为松弛状态。 反应不需ATP。,拓扑异构酶,切断DNA分子两股链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。 利用ATP供能，松弛状态DNA的断端在同一酶的催化下连接恢复， DNA分子进入负超螺旋状态。,作用机制：DNA分子一边接连一边复制，全程都需要拓扑酶参与。, DNA 解螺

26、旋酶 /解链酶（DNA helicase) 通过水解ATP获得能量来打开DNA双链之间的氢键，解开DNA双链。大肠杆菌中有DnaB、PriA和Rep蛋白，还有解螺旋酶I、II、III。, 引物合成酶（引发酶）：此酶以DNA为模板合成 一段RNA, 这种短RNA片段一般是十几个至数十个核 苷酸不等，它们在DNA复制起始处做为合成DNA的引物（Primer)。 引发酶实质是以DNA为模板的RNA聚合酶。 引发体(primosome)高度解链的模板DNA与多种蛋白质因子形成的引发 前体促进引发酶结合上来，共同形成引发体。 引发前体主要在随从链上，连续地与引物酶结合并 解离，从而在不同部位引导引发酶催

27、化合成RNA引物。, 单链结合蛋白(SSB) 与解开的单链DNA结合，使其不再度螺旋 化，保持单链结构；并保护单链不被核酸酶降 解。可以重复利用。, DNA聚合酶:以DNA为模板的DNA合成酶。1957年，Arthur Kornberg首次在大肠杆菌中发现DNA聚合酶，(DNApol) 后来又相继发现了DNA聚合酶和DNA聚合酶。(DNApol, DNApol) 实验证明大肠杆菌中DNA复制的主要过程靠DNA pol 起作用，而DNA pol和DNA pol在DNA错配的校正和修复中起作用。,DNA聚合酶的共同特性:酶的作用需要DNA模板，因此这类酶又称为依赖于DNA的DNA聚合酶(DDDP)

28、。 需要RNA或DNA做为引物(primer)，即DNA聚合酶不能从头催化DNA的起始。 催化dNTP加到引物的3-OH末端，因而DNA合成的方向是53。 三种DNA聚合酶都属于多功能酶，它们在DNA复制和修复过程的不同阶段发挥作用。,主要是对DNA损伤的修复；以及在DNA复制时切除RNA引物并填补其留下的空隙。,修复紫外光引起的DNA损伤,DNA 复制的主要 聚合酶，还具有3-5 外切酶的校对功能，提高DNA复制的保真性,原核生物中的DNA聚合酶(大肠杆菌）, 定位 细胞核 细胞核 线粒体 细胞核 细胞核3-5 外切 - - + + + 酶活性功能,引物 合成,修复 作用,线粒体DNA 的复

29、制,核DNA 的复制,？,真核生物中的DNA聚合酶, DNA连接酶（1967年发现）：若双链DNA中一条链有切口，一端是3-OH，另一端是5-磷酸基，连接酶可催化这两端形成磷酸二酯键，而使切口连接。但是它不能将两条游离的DNA单链连接起来 DNA连接酶在DNA复制、损伤修复、重组等过程中起重要作用,（三）DNA的复制过程（大肠杆菌为例）,DNA复制主要步骤： 双链的解开 RNA引物的合成 DNA链的延伸 切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段,原核生物的整个染色体上一般只有一个复制起始位点。 真核生物中，DNA的复制是从许多起始点同时开始的，所以每个DNA分子上有许多个复制子。DNA复

30、制起始点有结构上的特殊性。,从复制原点到终点，组成一个复制单位，叫复制子。,例如：大肠杆菌染色体DNA复制起始点OriC由245个核苷酸组成，含有2个系列的重复序列，该序列在所有细菌复制起始位点中都是保守的。,由大肠杆菌OriC复制起始点处引发的DNA复制过程,（a）DnaA蛋白与OriC处的4个9bp保守序列结合（b） DnaA复制起始复合物使3个13bp直接重复序列变性，形成开链（c）DnaB（解链酶）六体分别与单链DNA结合（需要DnaC的帮助），进一步解开DNA双链,复制时，解链酶等先将DNA的一段双链解开，形成复制点，这个复制点的形状象一个叉子，故称为复制叉,在DNA复制时，合成方向

31、与复制叉移动的方向一致并连续合成的链为前导链。合成方向与复制叉移动的方向相反，形成许多不连续的片段，最后再连成一条完整的DNA链为后随链(随从链、滞后链）。,DNA子链的延伸,主要包括前导链和后随链(滞后链)的合成。由拓 朴异构酶消除DNA链上的超螺旋，由DNA解链酶解开双螺旋， 单链结合蛋白使DNA单链稳定。 前导链(leading strand)的合成：由引发酶在复制起始位点附近合成一个10-60 nt的RNA引物，然后由pol把dNTP加到该引物上。 后随链(lagging strand)的合成：产生冈崎片段，消除RNA引物并由DNA pol I补上这一小段DNA序列，由DNA 连接酶把

32、两个片段相连。,在DNA复制过程中，前导链能连续合成，而后随链只能是断续的合成53 的多个短片段，这些不连续的小片段称为冈崎片段。,冈崎片段,3H脱氧胸苷短时间标记大肠杆菌，得到3H标记的DNA（1000-2000个碱基） 延长标记时间后，冈崎片段可转变为成熟的DNA链 用DNA连接酶温度敏感突变株进行实验，观察到有大量小片段DNA的累积,切除RNA引物，填补缺口， 连接相邻的DNA片段（复制终止）,在DNA聚合酶催化下切除RNA引物；留下的空隙由DNA聚合酶催化合成一段DNA填补上；在DNA连接酶作用下，连接相邻的DNA链。,DNA链的终止不需特定信号和特殊蛋白的参与,（五）真核生物DNA复

33、制的特点,1、真核生物每条染色体上有多个复制起点，多复制子。 2、真核生物染色体在全部复制完之前,各个起始点不再重新开始DNA复制（而在快速生长的原核生物中，复制起点可以连续开始新的复制(多复制叉)。 3、真核生物有多种DNA聚合酶。,真核生物基因组庞大，有多个染色体组成，全部染色体均需复制，每个染色体有多个起始点，呈多起点双向复制特征，是多复制子的复制。,一、真核生物复制的起始,复制的起始需要DNA-pol （引物酶活性）和pol （解螺旋酶活性）参与。还需拓扑酶和复制因子(replication factor, RF)。,一、真核生物复制的起始,真核DNA复制叉主要蛋白质的功能,前导链：在

34、复制叉及引物生成后，DNA-pol 通过PCNA的协同作用，逐步取代pol ，在RNA引物的3-OH基础上连续合成前导链。后随链：引物也由pol 催化合成。然后由PCNA协同，pol 置换pol ，继续合成DNA子链。,二、真核生物复制的延长,真核生物DNA复制 （后随链）,3,5,5,3,前导链,3,5,3,5,亲代DNA,后随链,引物,核小体,三、真核生物DNA合成后立即组装成核小体,复制后的染色质结构需要重新装配，原有组蛋白及新合成的组蛋白结合到复制叉的DNA链上，真核生物DNA合成后立即组装成核小体。,真核生物DNA复制与核小体装配是同步进行的，复制完成后随即组合成染色体并从G2期过渡

35、到M期。 染色体DNA呈线状，复制在末端停止。 复制中冈崎片段的连接，复制子之间的连接，都易于理解，因为都可在线性DNA的内部。 染色体两端DNA子链上最后复制的RNA引物，去除后留下空隙。剩下的DNA单链母链如果不填补成双链，就会被核内的DNase酶解。,四、端粒酶参与解决染色体末端复制问题,端粒（telomeres）由富含TG的重复序列组成。是存在于真核细胞线状染色体末端的一小段DNA-蛋白质复合体，它与端粒结合蛋白紧密结合。 作用是保持染色体的完整性，维持染色体的稳定性和DNA复制的完整性。,前导链产生完整的子染色单体。 后随链模板3端留下未复制的ssDNA区。,端粒酶（telomera

36、se）是一种核糖核蛋白（RNP），由RNA和蛋白质组成。 端粒酶以自己的RNA组分作为模板，以染色体的3端ssDNA（后随链模板）为引物，将端粒序列添加于染色体的3端。,端粒酶催化作用的爬行模型,端粒酶RNA辨认及结合母链DNA并移至3端，开始逆转录复制，延伸足够长度后，端粒酶脱离母链，DNA-pol取代之，此时3端折回来，同时起引物和模板的作用，在DNA-pol催化下完成末端双链的复制。,哺乳动物的细胞周期,DNA合成期（S期）,G1,G2,S,M,五、真核生物染色体DNA在每个细胞周期中只能复制一次,真核所有染色体DNA复制仅仅出现在细胞周期的S期，而且只能复制一次。,四、DNA的修复 (

37、DNA repairing),DNA修复是细胞对DNA受损伤后的一种反应，但有时并非能完全消除DNA的损伤，只是使细胞能够耐受这DNA的损伤而能继续生存。,DNA损伤来源,1、碱基的脱落（酸和热） 2、碱基或核苷的改变（电离辐射和烷化剂等） 3、错误碱基 4、碱基的缺失或插入 5、嘧啶碱基的二聚化 6、链的断裂（化学试剂或电离辐射） 7、DNA链的交联,大肠杆菌中DNA的修复系统,1、错配修复,错配修复：DNA子链中的错配几乎完全能被修正。,开始复制时，一旦复制叉通过复制起始位点，母链就会在开始DNA合成前的几秒种至几分钟内被甲基化。 Dam甲基化酶:它能使位于母链上GATC序列中腺苷酸甲基化

38、。 保存母链，修正子链,根据母链甲基化原则找出错配碱基的示意图,a. 发现碱基错配。,b. 在水解ATP的作用下，MutS, MutL(错配修复蛋白）与碱基错配位点的DNA双链相结合。,c. MutS-MutL在DNA双链上移动，发现甲基化DNA后由MutH（核酸内切酶）切开非甲基化的子链。 d.由DNA外切酶将错配位点到切口这段DNA切掉，再合成新的子链片段。,2、切除修复,（1）碱基切除修复,（2）核苷酸切除修复,2、切除修复,（1）碱基切除修复： DNA切除修复机制的一种。受损DNA通过不同酶的作用切除错误碱基后，通过一系列酶的作用进行正确填补而恢复功能。,研究发现，所有细胞中都带有不同

39、类型、能识别受损核酸位点的糖苷水解酶，它能够特异性切除受损核苷酸上的N-糖苷键，在DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶位点，统称为AP位点。 DNA分子中一旦产生了AP位点，内切酶就会把受损核苷酸的糖苷-磷酸键切开，移去AP位点附近小片段DNA，并由DNA聚合酶I和DNA连接酶共同完成修复。,糖苷水解酶识别改变了的碱基，把碱基从N-糖苷键处切下来，在DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶位点，统称为AP位点。,由AP磷酸内切酶将受损核苷酸的糖苷-磷酸键切开,。 DNA连接酶连接,利用DNA聚合酶I切除损伤部位，补上核苷酸,（2）核苷酸切除修复,当DNA链上相应位置的核苷酸发生损伤，导致 双链之间无法形成氢键，则

40、由核苷酸切除修复系 统负责修复。 1）通过特异的核酸内切酶识别损伤部位 2）由酶的复合物在损伤部位的两边切除几个核苷酸 3）DNA 聚合酶以母链为模板复制合成新子链 4）DNA连接酶将切口补平,识别损伤部位,损伤的两边切除几个核苷酸,DNA 聚合酶以母链为模板复制合成新子链,DNA连接酶将切口补平,3、重组修复 (recombinant repair),重组修复又被称为“复制后修复”，它发生在复制之后。 机体细胞对在复制起始时尚未修复的DNA损伤部位可以先复制再修复，即先跳过该损伤部位，在新合成链中留下一个对应于损伤序列的缺口，该缺口由DNA重组来修复：先从同源DNA母链上将相应核苷酸序列片段

41、移至子链缺口处，然后再用新合成的序列补上母链空缺。,重组修复,1复制 含有TT或其他结构损伤的DNA仍然可以正常的进行复制，但当复制到损伤部位时，子代DNA链中与损伤部位相对应的位置出现切口，新合成的子链比未损伤的DNA链要短。 2重组 完整的母链与有缺口的子链重组，缺口由母链来的核苷酸片段弥补。 3再合成 重组后母链中的缺口通过DNA多聚酶的作用合成核酸片段，然后由连接酶是新片段与旧链连接，至此重组修复完成。,4、 DNA的直接修复 (direct repair）生物体内还存在DNA损伤直接修复而并不需要切除碱基或核苷酸的机制。直接修复是把受损伤的碱基恢复到原来状态的过程。,DNA光解酶的作

42、用,在DNA光解酶的作用下将环丁烷胸腺嘧啶二体和6-4光化物还原成为单体,5、SOS反应（SOS response）,SOS反应是细胞DNA受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，细胞为求生存而产生的一种应急措施。SOS反应包括诱导DNA损伤修复、诱变效应、细胞分裂的抑制以及溶原性细菌释放噬菌体等，细胞癌变也与SOS反应有关。,SOS反应广泛存在于原核和真核生物中，主要包括两个方面： DNA的修复，有利于细胞的存活，具有重要意义； 产生变异，可能产生不利的后果，如导致细胞的癌变。,小 结 DNA是携带遗传信息的载体，细胞分裂时通过DNA的复制作用，遗传信息从亲代DNA分子传递到子代DNA分子中

43、。DNA复制时，是从一个特定的起始点开始的，两条DNA链分别作模板，在DNA聚合酶等许多酶和蛋白质因子的参与下，以四种脱氧单核苷酸dNTP为原料，依据碱基互补的原则合成新的DNA分子。合成方向为5 3。,经过复制后DNA分子中，一条链来自亲代DNA，另一条链是新合成的，这种复制方式称为半保留复制。由于DNA复制时，有一条链是连续合成的，这条链称为前导链；而另一条链合成时， 只能以5 3先合成冈崎片段，然后利用DNA连接酶将各个片段连接起来形成后随链，所以，DNA的复制是半不连续合成。 DNA复制时，先由拓扑异构酶作用于DNA双螺旋分子，使之松弛，然后由DNA解链酶作用，解开双链。,在DNA p

44、ol III的聚合作用下连续地合成前导链； 后随链的合成依靠多种酶与蛋白质因子的参与：首先在引发酶的作用下合成RNA引物，然后在DNA pol III的聚合作用下合成DNA片段，它们共同形成冈崎片段。RNA引物是靠RNaseH进行切割的，并由DNA聚合酶I填补RNA引物切除后留下的空隙，最后由DNA连接酶形成一条完整的链。,DNA复制的准确性很高，在原核生物中主要依靠DNA聚合酶I的外切活性来校正复制过程中的碱基错配，而真核生物则依靠DNA聚合酶来完成。 在真核生物中，DNA复制一般有多个起始点，主要依靠DNA聚合酶和来完成，另外还需要多种蛋白质因子参与。,五、 DNA的转座,（一）基本概念：

45、,DNA的转座：或称移位，由可移位因子介导的遗传物质重排现象。,转座子（transposon， Tn）：存在于染色体DNA上可自主复制和位移的基本单位。,B.McClintock (美)首次提出转座子的概念。,芭芭拉.麦克林托克(1902.6.16-1992.9.2) ,1983年诺贝尔生理学和医学奖获得者，20世纪最富盛名的女性遗传学家，她把一生都奉献给了遗传学，生命科学的研究。 1927年，25岁的麦克林托克获得了康奈尔大学植物学博士学位。19291931年间，她发表了一系列论文，证明了玉米染色体形态与遗传特性之间的关系，并研究得出端粒（telomere）与着丝粒（centromere）在

46、染色体上的作用，由于其在细胞遗传学的巨大贡献，她在1944年成为美国科学院院士，1945年担任美国遗传学会主席。,1951年提出了可移动的遗传基因（即“跳跃基因”） 学说 基因可从染色体的一个位置跳跃到另一个位置、甚至从一条染色体 跳跃到另一条染色体，为研究遗传信息的表达与调控、生物进化与癌变提供了线索。在她公布她的研究成果之后，等待她的并不是掌声，而是对她的冷嘲热讽。 但是历史是公平的，就像一句称赞麦克林托克的话“她整整让科学界追了她35年”。 1983年，81岁高龄的麦克林托克由于发现了可移动的遗传物质获得了诺贝尔生理学或医学奖。,（二）转座子的类型和结构特征,1.原核生物转座子的类型：,

47、1、插入序列(IS序列) 2、复合转座子(composite transposon) （1）末端带有IS序列的转座子 （2）TnA家族,插入序列（insertional sequence, IS）,1.最简单的转座子,不含有任何宿主基因。2.是很小的DNA片段(约1kb)，末端具有倒置重复 序列。3.转座时常复制宿主靶位点415bp的DNA形成正向重复区。4.是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分。,是很小的DNA片段(约1kb)，末端具有倒置重复序列。 转座时常复制宿主靶位点415bp的DNA形成正向重复区。,（1）末端带有IS序列的转座子 1.是一类带有某些抗药性基因(或其相关基因)的转座

48、子 2.两翼往往是两个相同或高度同源的IS序列。 3.IS序列不能再单独移动，只能作为复合体移动。,复合式转座子（composite transposon）,1.没有IS序列的、体积庞大(5000bp以上)的转座子。 2.常带有3个基因，一个编码-内酰胺酶(AmpR)，另两个则是转座作用所必须的。 3.所有TnA类转座子两翼都带有38bp的倒置重复序列。,（2）TnA家族,转座子TnA的结构示意图,2、转座作用的机制转座发生时，受体分子中有一段很短的（312bp）被称为靶序列的DNA会被复制，使插入的转座子位于两个重复的靶序列之间。（1）复制性转座 （2）非复制性转座,复制性转座 (Replicative Transposition),A.整个转座子被复制，所移动的仅仅是原转座子的拷贝。 B.TnA类主要是这种形式,A.原始转座子作为一个可移动的实体直接被移位。 B.IS序列及Tn5等都以这种方式进行转座。,非复制性转座 (Nonreplicative Transposition),3、转座子的遗传效应,（1）转座引起插入突变,导致结构基因失活。 （2）插入位置出现新的基因。 （3）引起染色体的畸变。 （4）引起生物进化，使相距很远的基因组合到一起产生具有新的功能的基因或蛋白质分子。,