第二章DNA結(jié)構(gòu)復(fù)制與修復(fù)

1、第二章第二章DNADNA結(jié)構(gòu)復(fù)制與修復(fù)結(jié)構(gòu)復(fù)制與修復(fù)第二章 DNA的結(jié)構(gòu)、復(fù)制和修復(fù)二零一六年八月二十九日二零一六年八月二十九日學(xué)習(xí)目標(biāo)1. 掌握原核生物與真核生物染色體組成、結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)；2. 理解真核DNA的組成、結(jié)構(gòu)與其功能的適應(yīng)性； 3. 掌握DNA復(fù)制的機(jī)制以及相關(guān)酶和蛋白質(zhì)因子的作用；4. 掌握DNA操作與修復(fù)的類型和機(jī)制。 證實(shí)證實(shí)DNA是遺傳物質(zhì)的三大經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。是遺傳物質(zhì)的三大經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。 遺傳信息通過(guò)表達(dá)產(chǎn)生各種蛋白質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)遺傳信息通過(guò)表達(dá)產(chǎn)生各種蛋白質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。其功能。第一節(jié)第一節(jié) 染色體染色體一、染色體概述一、染色體概述 由于親代能夠?qū)⒆约旱倪z傳物質(zhì)由于親代能夠?qū)⒆约旱倪z

2、傳物質(zhì)DNA以染色以染色體的形式傳給子代，保持了特種的穩(wěn)定性和連續(xù)體的形式傳給子代，保持了特種的穩(wěn)定性和連續(xù)性。同時(shí)細(xì)胞內(nèi)的性。同時(shí)細(xì)胞內(nèi)的DNA主要在染色體上，所以，主要在染色體上，所以，遺傳物質(zhì)的主要載體是染色體。遺傳物質(zhì)的主要載體是染色體。 染色體在不同的細(xì)胞周期有不同的形態(tài)表現(xiàn)。染色體在不同的細(xì)胞周期有不同的形態(tài)表現(xiàn)。 細(xì)胞分裂間期表現(xiàn)為染色質(zhì)。染色質(zhì)是細(xì)胞細(xì)胞分裂間期表現(xiàn)為染色質(zhì)。染色質(zhì)是細(xì)胞核內(nèi)可以被堿性染料著色的一類非定形物質(zhì)。以核內(nèi)可以被堿性染料著色的一類非定形物質(zhì)。以雙鏈雙鏈DNA為骨架，與組蛋白、非組蛋白及少量的為骨架，與組蛋白、非組蛋白及少量的各種各種RNA等共同組成絲狀

3、結(jié)構(gòu)。等共同組成絲狀結(jié)構(gòu)。 在細(xì)胞分裂期，經(jīng)多級(jí)螺旋化形成一種有固在細(xì)胞分裂期，經(jīng)多級(jí)螺旋化形成一種有固定形態(tài)的復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)的染色體。與染色質(zhì)主定形態(tài)的復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)的染色體。與染色質(zhì)主要在于空間構(gòu)象不同。要在于空間構(gòu)象不同。 作為遺傳物質(zhì)，染色體具有以下特征：作為遺傳物質(zhì)，染色體具有以下特征：分子結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定；分子結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定；能夠自我復(fù)制，使親代、子代之間保持連續(xù)能夠自我復(fù)制，使親代、子代之間保持連續(xù)性；性；能夠指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成；能夠指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成；能夠產(chǎn)生可遺傳的變異。能夠產(chǎn)生可遺傳的變異。二、原核生物的染色體二、原核生物的染色體 位于核區(qū)，大都是雙鏈組成的封閉的環(huán)，位于核區(qū)，大都是

4、雙鏈組成的封閉的環(huán)，都祼露的染色體。都祼露的染色體。 染色體具有一個(gè)顯著特點(diǎn)染色體具有一個(gè)顯著特點(diǎn) 比較易比較易于接受帶有相同或不同物種的基因或于接受帶有相同或不同物種的基因或DNA片段的插入。片段的插入。1. 細(xì)菌染色體形態(tài)結(jié)構(gòu)細(xì)菌染色體形態(tài)結(jié)構(gòu) 大腸桿菌染色體長(zhǎng)大腸桿菌染色體長(zhǎng)1333m，而要裝入長(zhǎng)約，而要裝入長(zhǎng)約2m、寬約、寬約1m的細(xì)胞中，細(xì)胞如何容納呢？的細(xì)胞中，細(xì)胞如何容納呢？ 圖圖2-1 大腸桿菌（大腸桿菌（E. coli）染色體的基本結(jié)構(gòu)染色體的基本結(jié)構(gòu) 2. 原核原核DNA基因組的組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基因組的組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn) （1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)練 原核DNA分子的絕大部分是用來(lái)編碼蛋白質(zhì)的。

5、（2）基因種類和數(shù)量較少 DNA分子大都帶有單拷貝基因，多以重疊基因形式存在。 （3）以操縱子為轉(zhuǎn)錄單元 以多順子形成翻譯成各種蛋白質(zhì)。三、真核生物染色體的組成三、真核生物染色體的組成 從單細(xì)胞的酵母菌到高等哺乳動(dòng)物，真核生從單細(xì)胞的酵母菌到高等哺乳動(dòng)物，真核生物細(xì)胞都有一個(gè)共同特點(diǎn)：物細(xì)胞都有一個(gè)共同特點(diǎn)： 。 真核生物基因表達(dá)調(diào)控復(fù)雜不僅因?yàn)檎婧松婧松锘虮磉_(dá)調(diào)控復(fù)雜不僅因?yàn)檎婧松锘蚪M的復(fù)雜性，也與染色體結(jié)構(gòu)有關(guān)。物基因組的復(fù)雜性，也與染色體結(jié)構(gòu)有關(guān)。主要成分是主要成分是DNA與組蛋白，還有與組蛋白，還有非組蛋白，及少非組蛋白，及少量量RNA1. 染色體蛋白質(zhì)染色體蛋白質(zhì) （1）組

6、蛋白）組蛋白 是真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)蛋是真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)蛋白，富含帶正白，富含帶正Arg、Lys等堿性氨基酸，屬于堿性等堿性氨基酸，屬于堿性蛋白，可以與酸性的蛋白，可以與酸性的DNA非特異性結(jié)合。非特異性結(jié)合。 非組蛋白的功能：能幫助DNA分子折疊，以形成不同的結(jié)構(gòu)域，人而有利于DNA的復(fù)制和基因的轉(zhuǎn)錄；協(xié)助DNA復(fù)制；特異性地控制基因轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)基因表達(dá)。 （2）非組蛋白）非組蛋白 是指染色體上與是指染色體上與DNA序列相序列相結(jié)合的蛋白（序列特異性結(jié)合蛋白）。其所含結(jié)合的蛋白（序列特異性結(jié)合蛋白）。其所含酸性氨基酸的量超過(guò)堿性氨基酸的量，帶負(fù)電酸性氨基酸的量超過(guò)堿性氨基酸的量，帶

7、負(fù)電荷。荷。2. 染色質(zhì)和核小體染色質(zhì)和核小體 1974年，Kornberg等根據(jù)染色質(zhì)的酶切降解和電 鏡 觀 察 ， 發(fā) 現(xiàn) 了 被 稱 為 核 小 體 的 或 核 粒（nucleosome）的染色質(zhì)基本結(jié)構(gòu)單位。 核小體的結(jié)構(gòu)（后圖）核小體的結(jié)構(gòu)（后圖）第二節(jié)第二節(jié) DNA的組成和結(jié)構(gòu)的組成和結(jié)構(gòu)一、一、DNA的組成的組成RNA RNA 核苷核苷 脫氧核糖或核糖脫氧核糖或核糖（戊糖）（戊糖） DNA DNA 核酸核酸核苷酸核苷酸 磷酸磷酸 堿基（嘌呤或嘧啶）堿基（嘌呤或嘧啶） RNA RNA 核苷核苷 脫氧核糖或核糖脫氧核糖或核糖（戊糖）（戊糖） DNA DNA 核酸核酸核苷酸核苷酸 磷酸

8、磷酸 堿基（嘌呤或嘧啶）堿基（嘌呤或嘧啶） RNA RNA DNA DNA 核酸核酸核苷酸核苷酸 OHOH2CHOHHHOHHH-D-2-脫氧核糖脫氧核糖OHOH2COHOHOH12345核核 糖糖NNNNHNH2HH9腺嘌呤腺嘌呤腺苷腺苷OHO-O OCH2 TO=PO-35OHOHO-O OCH2 GO=PO-35OHO OCH2OHOH AO=POO-35351PPPOHATGpGpTpAOHpGTA線條式縮寫線條式縮寫文字式縮寫文字式縮寫二、二、DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)的一級(jí)結(jié)構(gòu) DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)就是這些脫氧核苷酸在分子中的排列順序（序列），也就是DNA分子內(nèi)堿基排列順序。 它以密碼子的方式蘊(yùn)

9、藏著遺傳信息，以堿基序列的方式蘊(yùn)藏著對(duì)遺傳信息的調(diào)控。三、三、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)的二級(jí)結(jié)構(gòu) DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)指兩條多核苷酸反向平行盤的二級(jí)結(jié)構(gòu)指兩條多核苷酸反向平行盤繞所生成的雙螺旋結(jié)構(gòu)。繞所生成的雙螺旋結(jié)構(gòu)。雙螺旋結(jié)構(gòu)模型特點(diǎn)雙螺旋結(jié)構(gòu)模型特點(diǎn)（1）兩條反向平行的多兩條反向平行的多核苷酸鏈構(gòu)成雙螺旋結(jié)構(gòu)。核苷酸鏈構(gòu)成雙螺旋結(jié)構(gòu)。（2）堿基在內(nèi)側(cè)，磷酸）堿基在內(nèi)側(cè)，磷酸與脫氧核糖在外側(cè)。與脫氧核糖在外側(cè)。雙螺雙螺旋每轉(zhuǎn)一周有旋每轉(zhuǎn)一周有10個(gè)個(gè)bp，螺距，螺距，直徑直徑2nm（4）兩條鏈配對(duì)偏向一）兩條鏈配對(duì)偏向一側(cè)，形成一條大溝和一側(cè)，形成一條大溝和一條小溝。條小溝。（3）堿基的）堿基的A與與

10、T、G與與C配對(duì)，分別形成配對(duì)，分別形成2和和 3個(gè)氫鍵個(gè)氫鍵DNA雙螺旋的類型雙螺旋的類型B-DNA：右手螺旋構(gòu)象，從生：右手螺旋構(gòu)象，從生理鹽水中抽提出的理鹽水中抽提出的DNA纖維，纖維，從從92%相對(duì)濕度下進(jìn)行相對(duì)濕度下進(jìn)行X射線射線衍射分析所得。衍射分析所得。A-DNA：右手螺旋構(gòu)象，從右手螺旋構(gòu)象，從75% 相對(duì)濕度下進(jìn)行相對(duì)濕度下進(jìn)行X射線射線衍射分析所得構(gòu)象衍射分析所得構(gòu)象。Z-DNA：左手螺旋構(gòu)象，最：左手螺旋構(gòu)象，最初于實(shí)驗(yàn)人工合成的，初于實(shí)驗(yàn)人工合成的，每一每一螺旋圈含螺旋圈含12bp，后來(lái)也發(fā)現(xiàn)，后來(lái)也發(fā)現(xiàn)局部有天然存在。局部有天然存在。四、四、 DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)的高級(jí)結(jié)

11、構(gòu) 是指是指DNA以螺旋進(jìn)一步扭曲盤繞所形成的特以螺旋進(jìn)一步扭曲盤繞所形成的特定空間結(jié)構(gòu)。超螺旋結(jié)構(gòu)是其主要形式。定空間結(jié)構(gòu)。超螺旋結(jié)構(gòu)是其主要形式。雙鏈環(huán)狀雙鏈環(huán)狀超螺旋超螺旋 DNA DNA在相對(duì)分子質(zhì)量相同，密度不同情況下呈在相對(duì)分子質(zhì)量相同，密度不同情況下呈現(xiàn)三種狀態(tài)，沉降速度不一樣現(xiàn)三種狀態(tài)，沉降速度不一樣 （1）帶“缺口”的環(huán)狀DNA分子 （2）線狀DNA分子 （3）超螺旋DNA分子第三節(jié)第三節(jié) DNA的復(fù)制的復(fù)制一、一、DNA的半保留復(fù)制機(jī)理的半保留復(fù)制機(jī)理 從親代的一個(gè)雙螺旋分子形成兩個(gè)與親從親代的一個(gè)雙螺旋分子形成兩個(gè)與親代代DNADNA序列完全相同的子代序列完全相同的子代D

12、NADNA，其中每個(gè)子，其中每個(gè)子代分子中一條鏈來(lái)自親代代分子中一條鏈來(lái)自親代DNADNA，另一個(gè)鏈則是，另一個(gè)鏈則是新合成。這樣的復(fù)制方式稱為半保留復(fù)制。新合成。這樣的復(fù)制方式稱為半保留復(fù)制。DNA半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)AGAACTTAGTCTTGAATCAGAACTTAGTCTTGAATCAGAACTTAGTCTTGAATC親代親代子代子代DNA半保留復(fù)制半保留復(fù)制 現(xiàn)已證實(shí)，無(wú)論是原核生物還是真核現(xiàn)已證實(shí)，無(wú)論是原核生物還是真核生物，其生物，其DNA都是以半保留復(fù)制方式遺傳都是以半保留復(fù)制方式遺傳的。這種方式保證了的。這種方式保證了DNA在代謝上的穩(wěn)定在代謝上的穩(wěn)定性。性。二、二、DNA復(fù)制的

13、起點(diǎn)、方向和速度復(fù)制的起點(diǎn)、方向和速度 DNADNA在復(fù)制時(shí)，首先在一定位置解開雙鏈，在復(fù)制時(shí)，首先在一定位置解開雙鏈，這個(gè)復(fù)制起點(diǎn)呈現(xiàn)叉子的形式，稱為復(fù)制叉。這個(gè)復(fù)制起點(diǎn)呈現(xiàn)叉子的形式，稱為復(fù)制叉。一般生物體能獨(dú)立進(jìn)行復(fù)制的單位稱為復(fù)制子。一般生物體能獨(dú)立進(jìn)行復(fù)制的單位稱為復(fù)制子。每個(gè)復(fù)制子的復(fù)制起點(diǎn)只有一個(gè)。每個(gè)復(fù)制子的復(fù)制起點(diǎn)只有一個(gè)。 在復(fù)制時(shí)，原核生物中復(fù)制起始點(diǎn)只有一在復(fù)制時(shí)，原核生物中復(fù)制起始點(diǎn)只有一個(gè)，而在真核生物中則為多個(gè)，但并不是同時(shí)個(gè)，而在真核生物中則為多個(gè)，但并不是同時(shí)起作用。起作用。DNADNA復(fù)制的復(fù)制的方向和速度方向和速度復(fù)制叉復(fù)制叉起始點(diǎn)起始點(diǎn)起始點(diǎn)起始點(diǎn)起始點(diǎn)

14、起始點(diǎn)復(fù)制叉復(fù)制叉復(fù)制叉復(fù)制叉未復(fù)制未復(fù)制DNA單向復(fù)制單向復(fù)制雙向復(fù)制雙向復(fù)制偶爾存在偶爾存在雙向等速，最雙向等速，最普遍的普遍的三、三、DNA復(fù)制的幾種主要方式復(fù)制的幾種主要方式 1. 線性線性DNA雙鏈的復(fù)制雙鏈的復(fù)制 復(fù)制叉生長(zhǎng)方向有單一起點(diǎn)的單向（腺?gòu)?fù)制叉生長(zhǎng)方向有單一起點(diǎn)的單向（腺病毒）和雙向（如噬菌體），以及多個(gè)起始病毒）和雙向（如噬菌體），以及多個(gè)起始點(diǎn)的雙向。點(diǎn)的雙向。 2. 環(huán)狀環(huán)狀DNA雙鏈的復(fù)制雙鏈的復(fù)制 （1）形形復(fù)制復(fù)制 （2）滾動(dòng)環(huán)復(fù)制）滾動(dòng)環(huán)復(fù)制 （3）D形復(fù)制形復(fù)制環(huán)狀環(huán)狀 DNA復(fù)制時(shí)復(fù)制時(shí)所形成的所形成的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)起始點(diǎn)起始點(diǎn)復(fù)制叉的推進(jìn)復(fù)制叉的推進(jìn)復(fù)制起始

15、點(diǎn)復(fù)制起始點(diǎn)第四節(jié)第四節(jié) DNA的復(fù)制過(guò)程的復(fù)制過(guò)程 DNA復(fù)制的過(guò)程：起始、延伸和終止等復(fù)制的過(guò)程：起始、延伸和終止等三個(gè)階段。三個(gè)階段。 一、復(fù)制的起始一、復(fù)制的起始 復(fù)制只能在復(fù)制只能在DNADNA分子上特定區(qū)域內(nèi)起始，這分子上特定區(qū)域內(nèi)起始，這一段特定的一段特定的DNADNA順序稱為復(fù)制起始點(diǎn)。順序稱為復(fù)制起始點(diǎn)。 大腸桿菌的復(fù)制起始點(diǎn)由大腸桿菌的復(fù)制起始點(diǎn)由245bp構(gòu)成，構(gòu)成，稱為稱為ori，其序列和控制元件在細(xì)菌復(fù)制起點(diǎn)，其序列和控制元件在細(xì)菌復(fù)制起點(diǎn)中十分保守。中十分保守。 形成前引發(fā)復(fù)合物，然后由引物合成酶形成前引發(fā)復(fù)合物，然后由引物合成酶在起點(diǎn)鄰近處合成一段在起點(diǎn)鄰近處合成

16、一段RNA。二、復(fù)制的延伸二、復(fù)制的延伸 復(fù)制的延伸階段同時(shí)進(jìn)行著前導(dǎo)鏈和滯復(fù)制的延伸階段同時(shí)進(jìn)行著前導(dǎo)鏈和滯后鏈的合成。前者持續(xù)合成，后者分段合成后鏈的合成。前者持續(xù)合成，后者分段合成（形成岡崎片段）。（形成岡崎片段）。DNA復(fù)制示意圖復(fù)制示意圖拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)酶解鏈酶解鏈酶5 33 5 3 5DNA聚合酶聚合酶單鏈結(jié)合蛋白單鏈結(jié)合蛋白DNA聚合酶聚合酶前導(dǎo)鏈前導(dǎo)鏈 后隨鏈后隨鏈DNA連接酶連接酶岡崎片段岡崎片段引物酶引物酶三、復(fù)制的終止三、復(fù)制的終止 細(xì)菌環(huán)狀染色體的兩個(gè)復(fù)制叉向前推細(xì)菌環(huán)狀染色體的兩個(gè)復(fù)制叉向前推移，最后在終止區(qū)相遇并停止。復(fù)制體解移，最后在終止區(qū)相遇并停止。復(fù)制體解體

17、，其間仍有體，其間仍有50-100bp50-100bp未被復(fù)制，由修復(fù)未被復(fù)制，由修復(fù)方式填補(bǔ)空缺，其兩條鏈解開。方式填補(bǔ)空缺，其兩條鏈解開。四、單鏈環(huán)狀噬菌體四、單鏈環(huán)狀噬菌體DNA復(fù)制復(fù)制 以以X174為例來(lái)介紹，為例來(lái)介紹，X174噬菌體的噬菌體的基因組由單鏈基因組由單鏈DNA組成，稱病毒型或正鏈。組成，稱病毒型或正鏈。第五節(jié)第五節(jié) 原核生物和真核生物原核生物和真核生物DNADNA的復(fù)制特點(diǎn)的復(fù)制特點(diǎn) DNA雙螺旋的解旋雙螺旋的解旋 岡崎片段與半不連續(xù)復(fù)制岡崎片段與半不連續(xù)復(fù)制 DNA復(fù)制的引發(fā)與終止復(fù)制的引發(fā)與終止 DNA聚合酶聚合酶 DNA連接酶連接酶一、原核生物一、原核生物DNA的

18、復(fù)制特點(diǎn)的復(fù)制特點(diǎn)DNA復(fù)制示意圖復(fù)制示意圖拓?fù)洚悩?gòu)酶（使超螺旋變得松弛）拓?fù)洚悩?gòu)酶（使超螺旋變得松弛）解鏈酶解鏈酶5 33 5 3 5DNA聚合酶聚合酶單鏈結(jié)合蛋白單鏈結(jié)合蛋白DNA聚合酶聚合酶前導(dǎo)鏈前導(dǎo)鏈 后隨鏈后隨鏈DNA連接酶連接酶岡崎片段岡崎片段引物酶引物酶 與原核細(xì)胞復(fù)制相比，主要有以下不同：與原核細(xì)胞復(fù)制相比，主要有以下不同： 真核細(xì)胞的每條染色體含有多個(gè)復(fù)制起始真核細(xì)胞的每條染色體含有多個(gè)復(fù)制起始 點(diǎn)；點(diǎn)；1.1.真核生物染色體在全部復(fù)制完成之前，各個(gè)真核生物染色體在全部復(fù)制完成之前，各個(gè)復(fù)制起始點(diǎn)不能開始新一輪的復(fù)制；復(fù)制起始點(diǎn)不能開始新一輪的復(fù)制；二、真核生物二、真核生物D

19、NA的復(fù)制特點(diǎn)的復(fù)制特點(diǎn)3. 3. 真核生物真核生物DNADNA的復(fù)制起點(diǎn)被稱為自主復(fù)制的復(fù)制起點(diǎn)被稱為自主復(fù)制序列，含有幾個(gè)起始必需的保守區(qū)；序列，含有幾個(gè)起始必需的保守區(qū)；4. 4. 真核生物有多種真核生物有多種DNADNA聚合酶；聚合酶；5. 5. 端粒的復(fù)制。端粒的復(fù)制。三、三、DNA復(fù)制的調(diào)控（自學(xué)內(nèi)容）復(fù)制的調(diào)控（自學(xué)內(nèi)容） 諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了發(fā)現(xiàn)瘧疾治療劑成分青蒿素的中國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)研究院教授屠呦呦、對(duì)寄生蟲治療藥物開發(fā)有所貢獻(xiàn)的美國(guó)教授、以及另一位日本教授。 諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)說(shuō)，由寄生蟲引發(fā)的疾病困擾了人類幾千年，構(gòu)成重大的全球性健康問(wèn)題。屠呦呦發(fā)現(xiàn)的青蒿素應(yīng)用在治療中，使瘧疾患者的死亡率顯著降低；坎貝爾和大村智發(fā)明了阿維菌素（化學(xué)改進(jìn)的伊維菌素），從根本上降低了盤尾絲蟲病(河盲癥)和淋巴絲蟲病(象皮腫)的發(fā)病率。今年的獲獎(jiǎng)?wù)邆兙芯砍隽酥委煛耙恍┳罹邆π缘募纳x病的革命性療法”，這兩項(xiàng)獲獎(jiǎng)成果為每年數(shù)百萬(wàn)感染相關(guān)疾病的人們提供了“強(qiáng)有力的治療新方式”，在改善人類健康和減少患者病痛方面的成果無(wú)法估量。 三位科學(xué)家在分子水平上描繪了細(xì)胞修復(fù)受損的DNA并進(jìn)行遺傳信息維護(hù)的路徑。他們的研究成果提供了活性細(xì)胞功能的