第四、五、六章 遺傳信息傳遞(從DNA到DNA)DNA

第四、五、六章遺傳信息傳遞4.1

DNA復制概述4.2原核生物和真核生物DNA的復制特點4.3

DNA的損傷與修復4.4基因突變4.5DNA重組4.6

DNA的轉座4.7真核生物中的轉座子4.1DNA復制概述原核生物每個細胞只含有一條染色體；真核生物每個細胞常含有多條染色體。在細胞增殖周期的一定階段，整個染色體組都將發(fā)生精確的復制，隨后以染色體為單位把復制的基因組通過細胞分裂分配到兩個子代細胞中去。染色體DNA的復制與細胞分裂之間存在著密切的聯(lián)系。關于染色體復制與細胞分裂的協(xié)同作用，目前有兩個假說。一個假說認為，細胞開始分裂前，染色體復制一圈后，細胞等了一段時間，也許在染色體復制過程中產(chǎn)生某種信號，激發(fā)了細胞分裂，但這種信號至今也沒有得到證明；第二種假說認為，染色體在復制一圈后細胞迅速開始分裂，如果染色體在復制過程中出現(xiàn)了某種差錯，復制就要延遲，在染色體完成復制以前，細胞不會分裂。按照第二種假說，只要染色體復制成功，兩個子細胞就應該各獲得一條完整的染色體DNA。染色體外的遺傳因子，包括細菌的質(zhì)粒、真核生物的細胞器以及細胞內(nèi)共生或寄生的生物DNA。它們的復制或是受染色體復制的控制，而與染色體復制同步；或是不受其控制，在細胞增殖周期中隨時進行復制。質(zhì)粒在細胞內(nèi)的復制一般有兩種類型：控制型(Stringentcontrol)和松馳控制型(Relaxedcontrol)。前者只在細胞周期的一定階段進行復制，當染色體不復制時，它也不能復制，通常每個細胞內(nèi)只含有1個或幾個質(zhì)粒分子，如F因子。后者的質(zhì)粒在整個細胞周期中隨時可以復制，在每個細胞中有許多拷貝，一般在20個以上，如ColE1質(zhì)粒。在使用蛋白質(zhì)合成抑制劑-氯霉素時，細胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成、染色體DNA復制和細胞分裂均受到抑制。緊密型質(zhì)粒復制停止，而松馳型質(zhì)粒繼續(xù)復制，質(zhì)?？截悢?shù)可由原來20多個擴增至1000-3000個，此時質(zhì)粒DNA占總DNA的含量可由原來的2%增加至40-50%。同一復制系統(tǒng)的不同質(zhì)粒不能在同一宿主細胞中共同存在，當兩種質(zhì)粒同時導入同一細胞時，它們在復制及隨后分配到子細胞的過程中彼此競爭。在一些細胞中，一種質(zhì)粒占優(yōu)勢，而在另一些細胞中另一種質(zhì)粒卻占上風。當細胞生長幾代后，占少數(shù)的質(zhì)粒將會丟失，因而在細胞后代中只有兩種質(zhì)粒的一種，這種現(xiàn)象稱質(zhì)粒的不相容性(Incompatibility)。但利用不同復制系統(tǒng)的質(zhì)粒則可以穩(wěn)定地共存于同一宿主細胞中。DNA是遺傳信息的載體，在合成DNA時，決定其結構特異性的遺傳信息只能來自其本身，因此，必須以原來存在的分子模板來合成新的分子。生命的遺傳實際上是染色體DNA自我復制的結果。染色體DNA的自我復制是半保留復制，以親代DNA分子為模板合成子代DNA。細胞分裂時，通過DNA準確地自我復制(self-replication)，親代細胞所含的遺傳信息就原原本本地傳送到子代細胞。親代DNA以自身分子為模板合成新的新的互補鏈，每個子代分子的一條鏈來自親代DNA，另一條鏈則是新合成的，這種方式稱為半保留復制。4.2原核生物和真核生物DNA的復制特點4.2.1原核生物DNA的復制過程4.2.2原核與真核生物DNA的復制異同4.3DNA的損傷與修復由于染色體DNA在生命過程中占有至高無上的地位，DNA復制的準確性以及DNA日常保養(yǎng)中的損傷修復有著特別重要的意義。4.3.1DNA損傷：指在生命過程中DNA雙螺旋結構發(fā)生的任何改變。單個堿基改變雙螺旋結構的異常扭曲（鏈內(nèi)T二聚體、單鏈缺口、凸起等）4.3.1.1DNA分子自發(fā)性損傷

復制過程中的損傷指堿基配對時產(chǎn)生的誤差，經(jīng)過DNA聚合酶“矯正”和單鏈結合蛋白等綜合校對因素作用下仍未被矯正的DNA的損傷?；プ儺悩嬛窪NA分子中四種堿基自發(fā)地使氫原子改變位置，產(chǎn)生互變異構體，進一步使堿基配對的方式發(fā)生改變，這樣在復制后的子鏈上就可能出現(xiàn)錯誤。A------A’------CA—T就變成G—CA—I—C(非T)下一輪C—G導致AT—GC引起突變C—U–A(非G)下一輪A—T導致GC—AT引起突變

脫氨作用亞硝酸鹽C—U–A(非G)下一輪A—T導致GC—AT引起突變

活性氧引起的誘變活性氧為氧分子電子數(shù)大于O2的O2可與

C、A配對，DNA聚合酶不能矯正其錯誤，造成GC—TA。4.3.1.2物理因素引起的損傷

紫外線(UV)照射引起的DNA損傷主要是形成嘧啶二聚體。

ATTCGAGTTAGCTAAGCTCAATCG4.3.1.3化學因素引起的損傷烷化劑對DNA的損傷當烷化劑和DNA作用時，可以將烷基加到核酸的堿基上去。結果是形成鏈內(nèi)或鏈間鉸鏈。

堿基類似物對DNA的損傷是一類結構與堿基相似的人工化合物，5-BU與U結構類似，酮式能與A配對，烯醇式能與G配對。結果引起A-T----G-C轉變。4.3.2DNA的修復修復是生物機體細胞在長期進化中形成的一種保護功能，在遺傳信息傳遞的穩(wěn)定性方面具有重要作用。切除修復錯配修復直接修復重組修復易錯修復和SOS應急反應4.3.2.1切除修復4.3.2.1.1堿基切除修復所有細胞中都帶有能識別受損核酸位點的*糖苷水解酶，它能特異性切除受損核苷酸上的N-β－糖苷鍵，在DNA鏈上形成去嘌呤或去嘧啶位點（AP位點）。DNA分子中一旦產(chǎn)生了AP位點，*AP核酸內(nèi)切酶就會把受損核苷酸的糖苷-磷酸鍵切開，并移去包括AP位點核苷酸在內(nèi)的小片段DNA，由DNA聚合酶I合成新的片段，最終由*DNA連接酶把兩者連成新的被修復的DNA鏈→堿基切除修復(base-excisionrepair)。4.3.2.1.1核苷酸切除修復當DNA鏈上相應位置的核苷酸發(fā)生損傷，導致雙鏈之間無法形成氫鍵，則由核苷酸切除修復(nucleotide-excisionrepair)系統(tǒng)負責修復。損傷發(fā)生后，首先由DNA切割酶(exci-nuclease)在己損傷的核苷酸5’和3’位分別切開磷酸糖苷鍵，產(chǎn)生一個由12～13個核苷酸(原核生物)或27～29個核苷酸(人類或其他高等真核生物)的小片段，移去小片段后由DNA聚合酶Ⅰ(原核)或ε（真核)合成新的片段，并由DNA連接酶完成修復中的最后一道工序。4.3.2.2錯配修復(mismatchrepair)錯配修復可以將DNA子鏈中的錯配幾乎完全能被修復。該系統(tǒng)識別母鏈靠Dam甲基化酶，它能使位于5’GATC序列中A的N6位甲基化。一旦復制叉通過復制起始位點，母鏈就會在開始DNA合成前的一小點時間（幾秒鐘至幾分鐘）內(nèi)被甲基化。此后，只要兩條DNA鏈上堿基配對出現(xiàn)錯誤，錯配修復系統(tǒng)就會根據(jù)“保存母鏈，修正子鏈”的原則，找出錯誤堿基所在的DNA鏈，并在對應于母鏈甲基化腺苷酸上游G的5'位置切開子鏈。4.3.2.3直接修復(directrepair)生物體內(nèi)還存在多種DNA損傷以后直接修復(directrepair)，不需要切除堿基或核苷酸的機制。兩個例子：1、在DNA光解酶(Photolyase)的作用下把在光下或經(jīng)紫外光照射形成的環(huán)丁烷胸腺嘧啶二體及6-4光化物(6-4photoproduct)還原成為單體的過程。2、生物體內(nèi)還廣泛存在著使06-甲基鳥嘌呤脫甲基化的甲基轉移酶，以防止形成G-T配對。4.3.2.4重組修復(recombinationrepair)

切除修復發(fā)生在下一輪DNA復制前，又稱復制前修復。肌體細胞對在復制起始時尚未修復的DNA損傷部位可以先復制再修復，這種方式稱為重組修復。

這個過程發(fā)生在復制后，又稱復制后修復。復制重組再合成重組修復機制的缺陷，有可能導致腫瘤發(fā)生。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，婦女Brca1和Brca2兩個基因如果有缺陷，發(fā)生乳腺癌的概率為80%。

4.3.2.5易錯修復和SOS應急反應許多能造成DNA損傷或抑制DNA復制的過程能引起一系列復雜的誘導效應，這種效應稱為應急反應(SOSresponse)。SOS包括誘導DNA損傷修復、誘變效應、細胞分裂的抑制以及溶源性細菌釋放噬菌體等，細胞癌變也與SOS反應有關。SOS反應是細胞DNA受到損傷或復制系統(tǒng)受到抑制的緊急情況下，細胞為求生存而產(chǎn)生的一種應急措施。SOS反應誘導的修復系統(tǒng)包括：避免差錯的修復（errorfreerepair）和易產(chǎn)生差錯的修復（errorpronerepair）兩類。錯配修復、直接修復、切除修復和重組修復都能夠識別DNA的損傷部位或錯配堿基而加以消除，在這些修復過程中不引入錯誤堿基，屬于避免差錯的修復。由于SOS反應還能誘導產(chǎn)生缺乏校對功能的DNA聚合酶，所以在DNA鏈的損傷部位即使出現(xiàn)不配對堿基，復制也能繼續(xù)進行，以保證細胞的存活，叫易產(chǎn)差錯的修復。SOS反應可誘導產(chǎn)生DNA聚合酶Ⅳ和Ⅴ，它們不具有3’核酸外切酶的校正功能，但在DNA鏈的損傷部位即使出現(xiàn)不配對的堿基，仍然能催化核苷酸的聚合，使復制繼續(xù)進行，這種情況下允許錯配可增加細胞存活的機會。SOS反應可使細菌細胞的分裂受到抑制，結果形成絲狀體。其生理意義是在DNA復制受到阻礙的情況下避免因細胞分裂而產(chǎn)生不含DNA的細胞，或者使細胞有更多進行重組和修復的機會。SOS反應廣泛存在于原核和真核生物，它是生物體在不利環(huán)境中求得生存的一種基本功能。主要包括兩方面的內(nèi)容：①DNA的修復；②導致變異。4.4基因突變作為遺傳物質(zhì)的DNA有三個主要功能：①通過復制和分裂將遺傳物質(zhì)由親代傳給子代；②通過轉錄使遺傳信息在子代得以表達；③通過變異在自然選擇中獲得新的遺傳信息?；蛲蛔?mutation)：是在基因內(nèi)的遺傳物質(zhì)發(fā)生可遺傳的結構和數(shù)量的變化，通常產(chǎn)生一定的表型。廣義的突變包括染色體畸變和基因突變。遺傳重組也導致可遺傳的變異，因此，染色體畸變、基因突變、遺傳重組是可遺傳變異的基礎。4.4.1基因突變的類型1、堿基對置換：指DNA錯配對堿基在復制后被固定下來，由原來的一個堿基對被另一個堿基對所取代，又稱為點突變。堿基對置換有轉換和顛換兩種。2、插入突變：指在基因的序列中插入了一個堿基或一段外來DNA導致的突變。包括同義突變、錯義突變和無意突變。突變熱點：是指DNA分子上任意位點發(fā)生突變的頻率并不相等，在某些位點發(fā)生突變的頻率遠遠高于其平均數(shù)，成為突變熱點。4.4.2誘變劑的作用在自然條件下發(fā)生的突變稱為自發(fā)突變。自發(fā)突變的頻率很低，約10-10左右。能夠提高突變率的物理或化學因子稱為誘變劑(mutagen)。①堿基類似物：5-BU與T結構相似；②堿基修飾劑：亞硝酸；③嵌合染料(EB)；④紫外線和電離輻射4.4.3基因突變的主要后果生物功能喪失獲得新功能癌癥發(fā)生

4.5DNA的重組DNA分子內(nèi)或分子間發(fā)生遺傳信息的重新組合，成為遺傳重組或基因重組。重組產(chǎn)物稱為重組體DNA(recombinantDNA)。真核生物基因組間重組多發(fā)生在減數(shù)分裂時同源染色體之間的交換。細菌及噬菌體的基因組為單倍體，來自不同親代兩組DNA之間可通過多種形式進行遺傳重組。有了突變和重組，才能產(chǎn)生遺傳變異，然后才有遺傳漂變和自然選擇，才有進化。所以，遺傳變異是生物進化的基礎。遺傳變異的根本原因是突變。然而突變的機率很低，且多數(shù)是有害的。如果生物只有突變沒有重組，在積累具有選擇優(yōu)勢突變的同時不可避免地積累許多難以擺脫的不利突變。有利突變隨不利突變一起被淘汰，新的優(yōu)良基因就不可能出現(xiàn)。DNA重組對生物進化起著關鍵性的作用。4.5.1同源重組同源重組(homologousrecombination)：由兩條同源區(qū)的DNA分子，通過配對、鏈斷裂和再連接，而產(chǎn)生的片段間交換的過程。Holliday模型詳見書本圖和遺傳學教材4.5.2細菌的基因轉移與重組細菌的基因轉移主要有四種機制：接合(conjugation)、轉化(transformation)、轉導(transduction)和細胞融合（cellfusion）。①細菌的接合細菌的細胞相互接觸時遺傳信息可由一個細胞轉移到另一細胞，稱為接合作用。供體細胞為雄性，受體為雌性。通過接合而轉移DNA的能力由接合質(zhì)粒提供，與接合功能有關的蛋白質(zhì)均由接合質(zhì)粒所編碼。能夠促使染色體基因轉移的接合質(zhì)粒稱為致育因子(fertilityfactor，F(xiàn)因子)。大腸桿菌F因子是雙鏈閉環(huán)的大質(zhì)粒，總長約100kb，復制起點為oriV。F因子可以在細胞內(nèi)游離存在(F+)，也可以整合到宿主染色體內(nèi)(Hfr)。整合F因子的大腸桿菌菌株具有較高頻率的重組(high-frequencyrecombination)，稱為Hfr菌株。F因子可以整合在染色體不同位置，由此而得到不同的Hfr菌株。②細菌的遺傳轉化遺傳轉化(genetictransformation)是指細菌品系由于吸收了外源DNA而發(fā)生遺傳性狀的改變現(xiàn)象。感受態(tài)細胞（competentcell）：受體細胞經(jīng)過一些特殊方法（如電擊、CaCl2）處理后，細胞膜的通透性發(fā)生了暫時性改變，成為能允許外源DNA分子進入的狀態(tài)。③細菌的轉導轉導(transduction)：是通過噬菌體將基因從供體轉移到受體細胞的過程。④細菌的細胞融合由細胞質(zhì)膜融合導致的基因轉移和重組。在實驗室中用溶菌酶除去細菌細胞壁的肽聚糖，使其成為原生質(zhì)體，可人工促進原生質(zhì)體融合，由此使兩菌株的DNA發(fā)生廣泛的重組。4.6DNA的轉座轉座子（transposon）：是在基因組中可以移動的一段DNA序列。一個轉座子由基因組的一個位置轉移到另一個位置的過程稱為轉座或移位(transposition)。本質(zhì)是由轉座子（可移位因子）介導的遺傳物質(zhì)重排現(xiàn)象。轉座子是一些較短的DNA序列，可以轉移到細胞基因組的任何位置。由于它不需要序列間具有同源性，也不是位點特異性的，所以轉座作用又被稱為異常重組。與DNA的同源重組相比，轉座作用發(fā)生的頻率要低得多。轉座作用能說明在細菌中發(fā)現(xiàn)的許多基因缺失或倒轉現(xiàn)象，而且它常被用于構建新的突變體。轉座作用的特點①能從基因組的一個位點轉移到另一個位點（又稱跳躍基因）；②不以獨立形式存在；③轉座子編碼自身的轉座酶；④轉座的頻率很低；⑤轉座作用可引起基因表達內(nèi)容的改變甚至失活。轉座可分為復制性和非復制性兩大類。在復制性轉座中，整個轉座子被復制，所移動和轉位的是原轉座子的拷貝。轉座酶和解離酶分別作用于原始轉座子和復制轉座子。

在非復制性轉座中，原始轉座子作為一個可移動的實體直接被移位。4.6.1