分子生物學(xué)第二章 染色體與DNA課件

分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2染色體與DNA第二章分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2一、染色體的組成與結(jié)構(gòu)二、DNA的組成與結(jié)構(gòu)三、DNA的復(fù)制四、原核與真核生物DNA的比較五、DNA的修復(fù)六、DNA的轉(zhuǎn)座本章主要內(nèi)容分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2一、染色體的組成與結(jié)構(gòu)1、細(xì)胞－染色體－DNA真核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2

原核與真核染色體DNA比較

1、原核生物中一般只有一條染色體且大都帶有單

拷貝基因，只有很少數(shù)基因〔如rRNA基因〕是

以多拷貝形式存在；

2、整個染色體DNA幾乎全部由功能基因與調(diào)控序

列所組成；

3、幾乎每個基因序列都與它所編碼的蛋白質(zhì)序列

呈線性對應(yīng)狀態(tài)。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2染色體的形態(tài)示意圖分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2人類染色體的編號分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2染色體形成過程中長度與寬度的變化寬度增加長度壓縮第一級DNA+組蛋白

核小體5倍7倍第二級核小體

螺線體3倍6倍第三級螺線體

超螺線體13倍40倍第四級超螺線體

染色體2.5-5倍5倍500-1000倍8400倍

(8000-10000)分子生物學(xué)第二章染色體與DNA22、真核生物染色體的組成與結(jié)構(gòu)染色體作為遺傳物質(zhì)的特征：分子相對穩(wěn)定；能自我復(fù)制，保持遺傳連續(xù)性；能指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成，控制生命過程；能產(chǎn)生可遺傳的變異分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2DNA的分布主要在染色體上細(xì)胞質(zhì)內(nèi)細(xì)胞核遺傳細(xì)胞質(zhì)遺傳生物的遺傳（所以說，染色體是DNA的主要載體）例：紫茉莉葉色的遺傳分子生物學(xué)第二章染色體與DNA22、真核細(xì)胞染色體的組成與結(jié)構(gòu)化學(xué)組成(1)DNA：約占30%，每條染色體一個雙鏈

DNA分子,是遺傳信息的載體，

也就是所謂的遺傳物質(zhì).(2)

蛋白質(zhì)組蛋白(histone)：呈堿性，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；與DNA結(jié)合形成、維持染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，與DNA含量呈一定的比例.非組蛋白：呈酸性，種類和含量不穩(wěn)定；作用還不完全清楚，可能與染色質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)有關(guān)，在DNA遺傳信息的表達(dá)中有重要作用(3)

另外，可能存在少量的RNA.分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2組蛋白的特性（P24表）組蛋白分為H1、H2A、H2B、H3、H4。

(1）進化上的極端保守性。（2）無組織特異性:到目前為止，僅發(fā)現(xiàn)鳥類、魚類及兩棲類紅細(xì)胞染色體不含H1而帶有H5，精細(xì)胞染色體的組蛋白是魚精蛋白。（3）肽鏈上AA分布的不對稱性:堿性氨基酸集中分布在

N端的半條鏈上。（4）組蛋白的修飾作用:包括甲基化、乙基化、磷酸化及ADP核糖基化等。（5）富含賴氨酸的組蛋白H5。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2非組蛋白主要種類非組蛋白占組蛋白總量的60－70%，主要包括酶類及與細(xì)胞分裂相關(guān)的各種蛋白質(zhì)：非組蛋白的多樣性:非組蛋白的量大約是組蛋白的60%～70%，但它的種類卻很多，約在20-100種之間，其中常見的有15-20種。

非組蛋白的組織專一性和種屬專一性。（1）HMG蛋白：富含賴AA、精AA、谷AA與天冬

AA，與DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)有關(guān)。（2）DNA結(jié)合蛋白：與DNA的復(fù)制或轉(zhuǎn)錄有關(guān)的酶或調(diào)節(jié)物質(zhì)。（3）A24非組蛋白：與H2A差不多大小，呈酸性，含谷AA與天冬AA多，于核小體內(nèi)，功能不詳。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2DNA類別（1）不重復(fù)序列：占40－80%，是主要的結(jié)構(gòu)基因；（2）中度重復(fù)序列：占10－40%，重復(fù)次數(shù)101－

104，各種rRNA和tRNA及結(jié)構(gòu)基因；（3）高度重復(fù)序列：衛(wèi)星DNA，占10－60%，重復(fù)達(dá)數(shù)百萬次，不轉(zhuǎn)錄，多位于著絲粒處，是異染色質(zhì)組分，可能與染色體穩(wěn)定有關(guān)。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2染色體的結(jié)構(gòu)模型貝克等(Bak,A.L.,1977)：染色體四級結(jié)構(gòu)模型理論能夠在一定程度上解釋染色質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的過程

1.DNA+組蛋白

核小體+連接絲

2.核小體

螺線體(solenoid)

3.螺線體

超螺線體(super-solenoid)

4.超螺線體

染色體DNA+組蛋白

核小體+連接絲核小體+連接絲

螺線體(solenoid)螺線體

超螺線體

(super-solenoid)超螺線體

染色體分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2核小體是由H2A、H2B、H3、H4各兩個分子生成的八聚體和由大約200bpDNA組成的。八聚體在中間，DNA分子盤繞在外，而H1則在核小體的外面。每個核小體只有一個H1。

在核小體中DNA盤繞組蛋白八聚體核心，從而使分子收縮成1/7，200bpDNA的長度約為68nm，卻被壓縮在10nm的核小體中。但是，人中期染色體中含3.3×109堿基對，其理論長度應(yīng)是180cm，這么長的DNA被包含在46個51μm長的圓柱體（染色體）中，其壓縮比約為104。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA23、原核生物的基因組特點（1）結(jié)構(gòu)簡練：不轉(zhuǎn)錄部分很少且常是控制基因表達(dá)的序列（2）存在轉(zhuǎn)錄單元：多順反子mRNA，這些功能相關(guān)的RNA和蛋白質(zhì)基因協(xié)同表達(dá)。（3）有重疊基因：同一段DNA能攜帶兩種一同的蛋白質(zhì)信息，主要是：一個基因完全存在于另一個基因內(nèi)部分重疊兩個基因只有一個堿基對的重疊分子生物學(xué)第二章染色體與DNA23、原核生物的基因組特點（1）結(jié)構(gòu)簡練：不轉(zhuǎn)錄部分很少且常是控制基因表達(dá)的序列（2）存在轉(zhuǎn)錄單元：多順反子mRNA，這些功能相關(guān)的RNA和蛋白質(zhì)基因協(xié)同表達(dá)。（3）有重疊基因：同一段DNA能攜帶兩種一同的蛋白質(zhì)信息，主要是：一個基因完全存在于另一個基因內(nèi)部部分重疊兩個基因只有一個堿基對的重疊分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2二、DNA的組成與結(jié)構(gòu)1、化學(xué)組成與基本單位基本單位－脫氧核苷酸脫氧核糖堿基磷酸AGCT分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2核苷酸磷酸核苷堿基戊糖核酸核糖脫氧核糖嘌呤嘧啶分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2核苷酸中的嘌呤堿主要是鳥嘌呤(G)和腺嘌呤(A)，嘧啶堿主要是胞嘧啶(C)、尿嘧啶(U)和胸腺嘧啶(T)。DNA和RNA都含有鳥嘌呤(G)、腺嘌呤(A)和胞嘧啶(C)；胸腺嘧啶(T)一般而言只存在于DNA中，不存在于RNA中；而尿嘧啶(U)只存在于RNA中，不存在于DNA中。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2核酸中五種堿基中的酮基和氨基，均位于堿基環(huán)中氮原子的鄰位，可以發(fā)生酮式一烯醇式或氨基與亞氨基之間的結(jié)構(gòu)互變。這種互變異構(gòu)在基因的突變和生物的進化中具有重要作用。腺嘌呤（6-氨基嘌呤）Adenine(A)鳥嘌呤（2-氨基6-氧嘌呤）Guanine(G)分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2胞嘧啶（2-氧，4-氨基嘧啶）

Cytosine(C)酮式烯醇式分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2有些核酸中還含有修飾堿基，(或稀有堿基)，這些堿基大多是在上述嘌呤或嘧啶堿的不同部位甲基化或進行其它的化學(xué)修飾而形成的衍生物。一般這些堿基在核酸中的含量稀少。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2CT腺嘌呤脫氧核苷酸鳥嘌呤脫氧核苷酸胞嘧啶脫氧核苷酸

胸腺嘧啶脫氧核苷酸脫氧核苷酸的種類

核酸中的戊糖有核糖(ribose)和脫氧核糖(deoxyribose)兩種，分別存在于核糖核苷酸和脫氧核糖核苷酸中。

戊糖與嘧啶或嘌呤堿以糖苷鍵連接就稱為核苷，通常是戊糖的C1′與嘧啶堿的N1或嘌呤堿的N9相連接。GA分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2核苷=核糖+堿基堿基和核糖通過糖苷鍵連成核苷。連接方式是嘌呤環(huán)上的N-9或嘧啶環(huán)上的N-1與糖的C-1‘以糖苷鍵相連。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2

核苷中戊糖的羥基與磷酸以磷酸酯鍵連接而成為核苷酸。生物體內(nèi)的核苷酸大多數(shù)是核糖或脫氧核糖的C5′上羥基被磷酸酯化，形成5′核苷酸分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2核苷酸=核苷+磷酸分子生物學(xué)第二章染色體與DNA22、DNA的一級結(jié)構(gòu)核酸是由很多單核苷酸聚合形成的多聚核苷酸(polynucleotide)，DNA的一級結(jié)構(gòu)即是指四種核苷酸(dAMP、dCMP、dGMP、dTMP)按照一定的排列順序，通過磷酸二酯鍵連接形成的多核苷酸，由于核苷酸之間的差異僅僅是堿基的不同，故又可稱為堿基順序。核苷酸之間的連接方式是：一個核苷酸的5′位磷酸與下一位核苷酸的3′-OH形成3′，5′磷酸二酯鍵，構(gòu)成不分支的線性大分子，其中磷酸基和戊糖基構(gòu)成DNA鏈的骨架，可變部分是堿基排列順序。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2

DNA不僅具有嚴(yán)格的化學(xué)組成，還具有特殊的高級結(jié)構(gòu)，它主要以有規(guī)則的雙螺旋形式存在，基本特點是：1、DNA分子是由兩條互相平行脫氧核苷酸長鏈盤繞而成的。

2、DNA分子中的脫氧核糖和磷酸交替連接，排在外側(cè)，構(gòu)成基本骨架，堿基排列在內(nèi)側(cè)。

分子生物學(xué)第二章染色體與DNA23、堿基通過氫鍵相結(jié)合，形成堿基對，A配T，G配C即堿基互補配對原則。由于堿基可以任何順序排列，構(gòu)成了DNA分子的多樣性。例如，某DNA分子的一條多核苷酸鏈有100個不同的堿基組成，它們的可能排列方式就是4100。

分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2連接

ATGCATGCA==TG≡≡C分子生物學(xué)第二章染色體與DNA250年代初，Chargaff應(yīng)用紫外分光光度法結(jié)合紙層析等簡單技術(shù)，對多種生物DNA作堿基定量分析，發(fā)現(xiàn)DNA堿基組成有如下規(guī)律。2、DNA的二級結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2DNA來源腺嘌呤胸腺嘧啶鳥嘌呤胞嘧啶（A+T）/（G+C）（A）（T）（G）（C）大腸桿菌25.424.824.125.71.01小麥26.828.023.222.71.21鼠29.725.621.922.81.21豬：肝29.429.720.520.5胸腺30.028.920.420.71.43脾29.629.220.420.8酵母31.332.918.717.51.0792、DNA的二級結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)第二章染色體與DNA21)同一生物的不同組織的DNA堿基組成相同；2)一種生物DNA堿基組成不隨生物體的年齡、營養(yǎng)狀態(tài)或者環(huán)境變化而改變；

3)幾乎所有的DNA，A=T，G=C，(A＋G=C＋T)。4)不同生物來源的DNA堿基組成不同，表現(xiàn)在A＋T/G＋C比值的不同；2、DNA的二級結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2

Watson和Crick以立體化學(xué)原理為準(zhǔn)則，對Wilkins和Franklin的DNAX射線衍射分析結(jié)果加以研究，提出了DNA結(jié)構(gòu)的雙螺旋模式，其主要內(nèi)容如下：

DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模式分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模式要點(1)在DNA分子中，兩股DNA鏈圍繞一假想的共同軸心形成一右手螺旋結(jié)構(gòu)，雙螺旋的螺距為3.4nm，直徑為2.0nm。(2)鏈的骨架(backbone)由交替出現(xiàn)的、親水的脫氧核糖基和磷酸基構(gòu)成，位于雙螺旋的外側(cè)。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模式要點(3)堿基位于雙螺旋的內(nèi)側(cè)，兩股鏈中的嘌呤和嘧啶堿基以其疏水的、近于平面的環(huán)形結(jié)構(gòu)彼此密切相近，平面與雙螺旋的長軸相垂直。一股鏈中的嘌呤堿基與另一股鏈中位于同一平面的嘧啶堿基之間以氫鏈相連，稱為堿基互補配對或堿基配對(basepairing)，堿基對層間的距離為0.34nm。堿基互補配對總是出現(xiàn)于腺嘌呤與胸腺嘧啶之間(A=T)，形成兩個氫鍵；或者出現(xiàn)于鳥嘌呤與胞嘧啶之間(G=C)，形成三個氫鍵。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模式要點(4)DNA雙螺旋中的兩股鏈走向是反平行的，一股鏈?zhǔn)?′→3′走向，另一股鏈?zhǔn)?′→5′走向。兩股鏈之間在空間上形成一條大溝和一條小溝，這是蛋白質(zhì)識別DNA的堿基序列，與其發(fā)生相互作用的基礎(chǔ)。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2分子生物學(xué)第二章染色體與DNA23、DNA結(jié)構(gòu)的多態(tài)性B-DNA：Watson和Crick提出的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)屬于B型雙螺旋，它是以在生理鹽溶液中抽出的DNA纖維在92%相對濕度下進行X－射線衍射圖譜為依據(jù)進行推測的，這是DNA分子在水性環(huán)境和生理條件下最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。A-DAN：在以鉀或絕作反離子，相對濕度為75%時，DNA分子的X－射線衍射圖給出的是A構(gòu)象，A－DNA每螺旋含11個堿基對，而且變成A－DNA后，大溝變窄、變深，小溝變寬、變淺。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2當(dāng)水全的B-DNA脫水或加入乙醇或鹽使水的活度降低時就轉(zhuǎn)變?yōu)锳型DNA，堿基對向大溝方向移動了0.5nm。DNA結(jié)構(gòu)產(chǎn)生多態(tài)性的原因在于多核苷酸鏈的骨架含有許多可轉(zhuǎn)動的單鍵（主要是磷酸二酯鍵的兩個O－P鍵、多核苷酸鏈的N－苷鍵），從而使糖環(huán)可采取不同折疊形式和苷鍵采取不同構(gòu)象，使糖環(huán)和堿基處在不同的空間關(guān)系中。極端形式：反式構(gòu)象：堿基遠(yuǎn)離糖環(huán)順式構(gòu)象：堿基位于糖環(huán)上方分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2不同右手雙螺旋DNA的結(jié)構(gòu)參數(shù)雙螺旋堿基傾堿基夾堿基間距螺距每輪堿小溝寬／nm×大溝寬nm×

角／（°）角（°）/nm／nm基數(shù)小溝寬nm大溝寬nmB-DNA

0

36.0

0.337

3.4

10

0.57×0.75

1.17×0.85C-DNA

6

38.0

0.331

3.1

9.3

0.48×0.79

1.05×0.75D-DNA

45.0

0.303

0.13×0.670.89×0.58A-DAN

20

32.7

0.256

2.8

11

1.10×0.28

0.27×1.35總之，DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)永遠(yuǎn)處于動態(tài)平衡中，DNA分子構(gòu)象的變化與糖基和堿基之間空間相對位置有關(guān)。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2Z－DNA：它是左手雙螺旋，與右手螺旋的不同是螺距延長(4.5nm左右)，直徑變窄(1.8nm)，每個螺旋含12個堿基對，分子長鏈中磷原子不是平滑延伸而是鋸齒形排列，有如“之”字形一樣，因此叫它Z構(gòu)象，這一構(gòu)象中的重復(fù)單位是二核苷酸而不是單核苷酸；而且Z－DNA只有一個螺旋溝，它相當(dāng)于B構(gòu)象中的小溝，它狹而深，大溝則不復(fù)存在(圖15-7)。進一步的分析還證明，Z－DNA的形成是DNA單鏈上出現(xiàn)嘌呤與嘧啶交替排列所成的。比如CGCGCGCG或者CACACACA。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2Z－DNA的生物學(xué)意義：應(yīng)當(dāng)指出Z－DNA的形成通常在熱力學(xué)上是不利的。因為Z－DNA中帶負(fù)電荷的磷酸根距離太近了，這會產(chǎn)生靜電排斥。但是，DNA鏈的局部不穩(wěn)定區(qū)的存在就成為潛在的解鏈位點。DNA解螺旋卻是DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄等過程中必要的環(huán)節(jié)，因此認(rèn)為這一結(jié)構(gòu)與基因調(diào)節(jié)有關(guān)。此外，DNA螺旋上溝的特征在其信息表達(dá)過程中起關(guān)鍵作用。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2調(diào)控蛋白都是通過其分子上特定的氨基酸側(cè)鏈與DNA雙螺旋溝中的堿基對一側(cè)的氫原子供體或受體相互作用，形成氫鍵從而識別DNA上的遺傳信息的。大溝所帶的遺傳信息比小溝多。溝的寬窄和深淺也直接影響到調(diào)控蛋白質(zhì)對DNA信息的識別。Z－DNA中大溝消失，小溝狹而深，使調(diào)控蛋白識別方式也發(fā)生變化。這些都暗示Z－DNA的存在不僅僅是由于DNA中出現(xiàn)嘌呤一啶嘧交替排列之結(jié)果，也一定是在漫漫的進化長河中對DNA序列與結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整與篩選的結(jié)果，有其內(nèi)在而深刻的含意，只是人們還未充分認(rèn)識而已。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2分子生物學(xué)第二章染色體與DNA24、DNA的三級結(jié)構(gòu)（高級結(jié)構(gòu)）(一)DNA超螺旋雙螺旋DNA進一步扭曲盤繞則形成其三級結(jié)構(gòu)，超螺旋是DNA三級結(jié)構(gòu)的主要形式。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA24、DNA的三級結(jié)構(gòu)（高級結(jié)構(gòu)）(一)DNA超螺旋對于真核生物來說，雖然其染色體多為線形分子，但其DNA均與蛋白質(zhì)相結(jié)合，兩個結(jié)合點之間的DNA形成一個突環(huán)(loop)結(jié)構(gòu)，類似于CCC分子，同樣具有超螺旋形式。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA24、DNA的三級結(jié)構(gòu)（高級結(jié)構(gòu)）(一)DNA超螺旋超螺旋按其方向分為正超螺旋和負(fù)超螺旋兩種。真核生物中，DNA與組蛋白八聚體形成核小體結(jié)構(gòu)時，存在著負(fù)超螺旋。研究發(fā)現(xiàn)，所有的DNA超螺旋都是由DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶產(chǎn)生的。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2DNA超螺旋的形成：拓?fù)洚悩?gòu)酶負(fù)超螺旋松馳DNA溴乙錠溴乙錠拓?fù)洚悩?gòu)酶正超螺旋分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2雙螺旋分子的鏈間螺旋數(shù)發(fā)生變化（多或少幾圈），DNA分子內(nèi)部產(chǎn)生額外的張力而使分子內(nèi)部原子空間位置重排。拓?fù)洚悩?gòu)酶：與DNA形成共價結(jié)合蛋白質(zhì)－DNA中間體，在其磷酸二酯鍵處造成暫時性裂口，使DNA的多核苷酸鏈穿越改變分子的拓?fù)錉顟B(tài)。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2(二)染色質(zhì)和核小體真核生物的染色體在細(xì)胞生活周期的大部分時間里都是以染色質(zhì)的形式存在的。染色質(zhì)是一種纖維狀結(jié)構(gòu)，叫做染色質(zhì)絲，它是由最基本的單位核小體成串排列而成的。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2(二)染色質(zhì)和核小體DNA是染色體的主要化學(xué)成分，也是遺傳信息的載體，約占染色體全部成分的27%，另外組蛋白和非組蛋白占66%，RNA占6%。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2(二)染色質(zhì)和核小體核小體是構(gòu)成染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位，由DNA、RNA和蛋白質(zhì)組成的結(jié)構(gòu)。核小體由核心顆粒(coreparticle)和連接區(qū)DNA(linkerDNA)二部分組成。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2(二)染色質(zhì)和核小體核小體在電鏡下呈捻珠狀，包括組蛋白構(gòu)成的八聚體(又稱核心組蛋白)，以及纏繞其上１．７５圈146bp的DNA鏈，60bp的連接DNA和連接DNA上的組蛋白H1。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2三、DNA的復(fù)制DNA做為遺傳物質(zhì)的基本特點就是在細(xì)胞分裂前進行準(zhǔn)確地自我復(fù)制(selfreplication)，使DNA的量成倍增加，這是細(xì)胞分裂的物質(zhì)基礎(chǔ)。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2三、DNA的復(fù)制DNA是由二條互補的脫氧核苷酸鏈組成，所以一條DNA鏈上的核苷酸排列順序是由另一條DNA鏈決定的。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2三、DNA的復(fù)制DNA的復(fù)制是由原來存在的分子為模板來合成新的鏈。曾經(jīng)有過多種關(guān)于DNA復(fù)制方式的學(xué)說，包括半保留復(fù)制、全保留復(fù)制以及分散復(fù)制等。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2三、DNA的復(fù)制分子生物學(xué)第二章染色體與DNA21、DNA的半保留復(fù)制DNA在復(fù)制時兩條鏈之間的氫鍵斷裂兩條鏈分開，然后以每一條鏈分別做模板各自合成一條新的DNA鏈，新合成的子代DNA分子中一條鏈來自親代DNA，另一條鏈?zhǔn)切潞铣傻?，這種復(fù)制方式為半保留復(fù)制。（為Watson和Crick所推測）分子生物學(xué)第二章染色體與DNA21、DNA的半保留復(fù)制1958年Meselson和Stahl利用氮標(biāo)記技術(shù)在大腸桿菌中首次證實了DNA的半保留復(fù)制（實驗驗證）。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA21、DNA的半保留復(fù)制

DNA的半保留復(fù)制第一代分子含有一條親代的鏈(用黑色素示)，與另一條新合成的鏈(用白色表示)配對。在以后的連續(xù)復(fù)制過程中，原來親代的兩條鏈仍然保持完整，因此總有兩個分子各具有一條原來親代的鏈。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA21、DNA的半保留復(fù)制分子生物學(xué)第二章染色體與DNA22、DNA復(fù)制的一般過程：DNA雙螺旋是由兩條方向相反的單鏈組成。形成一個復(fù)制叉。生物體內(nèi)DNA聚合酶只能催化DNA從5′→3′的方向合成。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA22、DNA復(fù)制的一般過程：在以3′→5′方向的母鏈為模板時，復(fù)制合成出一條5′→3′方向的前導(dǎo)鏈(leading

strand)，前導(dǎo)鏈的前進方向與復(fù)制叉打開方向是一致的，因此前導(dǎo)鏈的合成是連續(xù)進行的。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA22、DNA復(fù)制的一般過程：另一條母鏈DNA是5′→3′方向，它作為模板時，復(fù)制合成許多條5′→3′方向的短鏈，叫做隨從鏈(laggingstrand)，隨從鏈的前進方向是與復(fù)制叉的打開方向相反的。隨從鏈只能先以片段的形式合成，這些片段就叫做岡崎片段。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA22、DNA復(fù)制的一般過程：DNA的復(fù)制可被分為三個階段，即復(fù)制起始、延伸和終止。每個DNA復(fù)制的獨立單元被稱為復(fù)制子（replicon），主要包括復(fù)制起始位點（Origineofreplication）和終止位點分子生物學(xué)第二章染色體與DNA22、DNA復(fù)制的一般過程：分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2DNA復(fù)制具有以下特點：⒈復(fù)制是半保留的。⒉原核生物一般只有一個復(fù)制原點，真核生物有多個復(fù)制原點。⒊復(fù)制可單向進行，也可雙向進行，后者更為常見。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2DNA復(fù)制具有以下特點：⒋復(fù)制是半不連續(xù)的，兩條鏈都是以5‵→3‵方向合成，其中，前導(dǎo)鏈?zhǔn)沁B續(xù)合成的，后隨鏈?zhǔn)遣贿B續(xù)合成的，即先合成短的岡崎片段，再連接成后隨鏈。⒌復(fù)制開始時需要一段引物RNA

，在復(fù)制進行到一定程度后被切除，并以一段DNA代替。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2DNA復(fù)制具有以下特點：⒍復(fù)制具有嚴(yán)格的保證復(fù)制準(zhǔn)確性的機制。在復(fù)制過程中，有多種酶和蛋白質(zhì)參與，可能就是保證復(fù)制準(zhǔn)確性所必需的，DNA聚合酶的校正作用，也可能是保證復(fù)制準(zhǔn)確性的數(shù)種途徑之一。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2（1）DNA復(fù)制的起始點原核生物的整個染色體上一般只有一個復(fù)制起始位點。真核生物中，DNA的復(fù)制是從許多起始點同時開始的，所以每個DNA分子上有許多個復(fù)制子。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2（1）DNA復(fù)制的起始點DNA復(fù)制起始點有結(jié)構(gòu)上的特殊性，例如：大腸桿菌染色體DNA復(fù)制起始點Oric由422個核苷酸組成，是一系列對稱排列的反向重復(fù)序列，即回文結(jié)構(gòu)。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2大腸桿菌DNA的復(fù)制需要有20種左右的酶和蛋白質(zhì)因子參與，整個DNA復(fù)制機器被稱之為DNAreplicasesystem或replisome。其中：

Helicase，任何DNA在被復(fù)制前都必須解開雙鏈，這個過程是由Helicase來完成的，它可在ATP的作用下將DNA母鏈不斷解開形成單鏈。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2

Topoisomerase，主要功能是消除DNA解鏈過程中所產(chǎn)生的扭曲力。

DNA結(jié)合蛋白，使新解鏈的DNA保持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2

Primases，為DNA復(fù)制提供RNA引物。

DNApolymerases，合成新生DNA鏈，切除RNA引物。

DNALigases，使新生DNA鏈上的缺口（3'-OH,5'-p）生成磷酸二酯鍵。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2

DNA復(fù)制起始中的主要步驟：

a.大約20個左右的DnaA蛋白首先與OriC

中的4個9堿基重復(fù)區(qū)相結(jié)合；

b.識別并使3個13堿基串聯(lián)重復(fù)區(qū)DNA形成開環(huán)結(jié)構(gòu)；

分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2

DNA復(fù)制起始中的主要步驟：c.DnaB蛋白在DnaC的幫助下與未解鏈序列結(jié)合。每六個DnaB蛋白形成一組并與一條DNA

母鏈結(jié)合，可在不同方向同時起始DNA的復(fù)制。當(dāng)細(xì)胞中存在足夠的SSB和DNAgyrase

時，DnaB的解鏈效率非常高。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2（2）DNA復(fù)制的方向：1)定點開始雙向復(fù)制這是原核生物和真核生物DNA復(fù)制最主要的形式，從一個特定位點解鏈，沿著兩個相反的方向各生長出兩條鏈，形成一個復(fù)制泡。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2（2）DNA復(fù)制的方向：2)定點開始單向復(fù)制質(zhì)粒Ecol1是個典型的例子，復(fù)制從一個起始點開始，以同一方向生長出兩條鏈，形成一個復(fù)制叉(replicationfork)。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2（2）DNA復(fù)制的方向：3)兩點開始單向復(fù)制腺病毒DNA的復(fù)制是從兩個起點開始的，形成兩個復(fù)制叉，各以一個單一方向復(fù)制出一條新鏈。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2（2）DNA復(fù)制的方向：分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2（3）DNA子鏈的延伸

主要包括兩個不同但相互有聯(lián)系的事件，即前導(dǎo)鏈和滯后鏈的合成。由DNAhelicase解開雙螺旋，由拓樸異構(gòu)酶消除DNA鏈上的扭曲力，SSB結(jié)合使DNA單鏈穩(wěn)定。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2（3）DNA子鏈的延伸

前導(dǎo)鏈的合成：由DnaG（primase）在復(fù)制起始位點附近合成一個的RNA引物，然后由PolII把dNTP加到該引物上。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2（3）DNA子鏈的延伸

滯后鏈的合成：產(chǎn)生Okazakifragments，消除RNA引物并由DNApolI補上這一小段DNA序列，由DNALigase把兩個片段相連。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2（3）DNA子鏈的延伸

主要包括兩個不同但相互有聯(lián)系的事件，即前導(dǎo)鏈和滯后鏈的合成。由DNAhelicase解開雙螺旋，由拓樸異構(gòu)酶消除DNA鏈上的扭曲力，SSB結(jié)合使DNA單鏈穩(wěn)定。

前導(dǎo)鏈的合成：由DnaG（primase）在復(fù)制起始位點附近合成一個10-60nt的RNA引物，然后由polII把dNTP加到該引物上。

滯后鏈的合成：產(chǎn)生Okazakifragments，消除RNA引物并由DNApolI補上這一小段DNA序列，由DNALigase把兩個片段相連。DNA鏈生長方向的三種機制分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2（4）.DNA鏈的終止鏈的終止過程：當(dāng)復(fù)制叉前移遇到20bp重復(fù)性終止子序列（Ter）時，Ter－Tus復(fù)合物能阻擋復(fù)制叉的繼續(xù)前移，當(dāng)相反方向復(fù)制叉到達(dá)年在DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶作用下使復(fù)制叉解體，釋放子鏈DNA。逆時針方向復(fù)制叉復(fù)制起始位點順時針方向復(fù)制叉順時針方向復(fù)制叉陷阱逆時針方向復(fù)制叉陷阱分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2四、DNA復(fù)制參與的酶和蛋白質(zhì)

（原核生物DNA的復(fù)制特點）（一）DNA復(fù)制起始引發(fā)體的形成及所參與的酶和蛋白質(zhì)1.解鏈酶(helicase)：打開DNA雙鏈之間的氫鍵。2.單鏈結(jié)合蛋白(SSBP)：它與解開的單鏈

DNA結(jié)合，使其穩(wěn)定不會再度螺旋化并且避免核酸內(nèi)切酶對單鏈DNA的水解，保證了單鏈DNA做為模板時的伸展?fàn)顟B(tài)，

SSBP可以重復(fù)利用。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA23.引發(fā)體的形成

(1)引物酶(primase)：它是一種特殊的RNA聚合酶，可催化短片段RNA的合成。它們在

DNA復(fù)制起始處稱為為引物。RNA引物的

3′--OH末端提供了由DNA聚合酶催化形成DNA分子第一個磷酸二酯鍵的位置。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA23.引發(fā)體的形成

(2)引發(fā)體(primosome)高度解鏈的模板DNA與多種蛋白質(zhì)因子形成的引發(fā)前體促進引物酶結(jié)合上來，共同形成引發(fā)體，引發(fā)體主要在DNA隨從鏈上開始。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2（二）DNA復(fù)制的延長階段以及

參與的酶和蛋白質(zhì)分子1、DNA的聚合反應(yīng)和DNA聚合酶：①需要DNA模板，因此這類酶又稱為依賴DNA的

DNA聚合酶(DDDP)。②需要RNA或DNA做為引物(primer)，即DNA聚合酶不能從頭催化DNA的起始。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2（二）DNA復(fù)制的延長階段以及

參與的酶和蛋白質(zhì)分子1、DNA的聚合反應(yīng)和DNA聚合酶：③催化dNTP加到引物的3′--OH末端，因而DNA合成的方向是5′→3′。④三種DNA聚合酶都屬于多功能酶，它們在DNA復(fù)制和修復(fù)過程的不同階段發(fā)揮作用。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2DNA聚合酶催化的DNA鏈延長

DNA聚合酶的作用1957年，Arthurkornberg首次在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)DNA聚合酶Ⅰ，(DNApolⅠ)后來又相繼發(fā)現(xiàn)了DNA聚合酶Ⅱ和DNA聚合酶Ⅲ。(DNApolⅡ,DNApolⅢ)實驗證明大腸桿菌中DNA復(fù)制的主要過程靠DNapolⅢ起作用，而DNApolⅠ和DNApolⅡ在DNA錯配的校正和修復(fù)中起作用。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2大腸桿菌DNA聚合酶特征

DNA聚合酶Ⅰ

DNA聚合酶Ⅱ

DNA聚合酶Ⅲ分子量109KD

20KD＞600KD每個細(xì)胞中的分子數(shù)400

17-100

10-205′→3′聚合活性+

+

+37℃轉(zhuǎn)化率核苷酸數(shù)／酶分子·分鐘600

30

30,0005′→3′外切活性+

-

-5′→3′外切活性+

+

+切刻平移活性+

-

-對dNTP親和力低低高功能修復(fù)不詳復(fù)制去除引物

填補空缺

分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2(三)與超螺旋松馳有關(guān)的酶：拓?fù)洚悩?gòu)酶(topoisomerase)是一類改變DNA拓?fù)湫再|(zhì)的酶。拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ(TopoⅠ)的主要作用是將環(huán)狀雙鏈DNA的一條鏈切開一個口，切口處鏈的末端繞螺旋軸按照松馳超螺旋的方向轉(zhuǎn)動，然后再將切口封起來。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2(三)與超螺旋松馳有關(guān)的酶：作用特點是切開環(huán)狀雙鏈DNA的兩條鏈，分子中的部分經(jīng)切口穿過而旋轉(zhuǎn)，然后封閉切口，TopoⅡ還可使DNA分子從超螺旋狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗神Y狀態(tài)，此反應(yīng)不需要ATP參與。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2(a)大腸桿菌拓?fù)涿涪翊呋?種拓?fù)洚悩?gòu)化作用(b)拓?fù)涿涪虻淖饔梅肿由飳W(xué)第二章染色體與DNA2DNA復(fù)制的終止階段連接酶(ligase)的作用是催化相鄰的DNA片段以3′、5′－磷酸二酯鍵相連接。連接反應(yīng)中的能量來自ATP(或NAD＋)。隨從鏈的各個DNA片段就是這樣連接成一條DNA長鏈分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2DNA復(fù)制的終止階段已有研究證明大腸桿菌染色體DNA具有復(fù)制終止位點，此處可以結(jié)合一種特異的蛋白質(zhì)分子叫做Tus，這個蛋白質(zhì)可能是通過阻止解鏈酶(Helicase)的解鏈活性而終止復(fù)制的。詳細(xì)的機制還不完全清楚。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2連接酶的催化反應(yīng)分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2四、真核生物DNA復(fù)制的特點1.與原核生物不同，真核生物DNA復(fù)制有許多起始點，例如酵母S.cerevisiae的17號染色體約有400個起始點，因此，雖然真核生物DNA復(fù)制的速度比原核生物DNA復(fù)制的速度慢得多，但復(fù)制完全部基因組DNA也只要幾分鐘的時間。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA22.在真核生物DNA復(fù)制叉處，需要兩種不同的酶。DNA聚合酶α(polα)和DNA聚合酶δ(polδ)。polα和引物酶緊密結(jié)合，在DNA模板上先合成RNA引物，再由polα延長DNA鏈，這種活性還要復(fù)制因子C參與。同時結(jié)合在引物模板上的PCNA(增殖細(xì)胞核抗原)此時釋放了polα，然后由polδ結(jié)合到生長鏈3′末端，并與PCNA結(jié)合，繼續(xù)合成前導(dǎo)鏈。而隨從鏈的合成靠polα緊密與引物酶結(jié)合并在復(fù)制因子C幫助下，合成岡崎片段(圖)。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2真核生物DNA復(fù)制叉結(jié)構(gòu)示意圖分子生物學(xué)第二章染色體與DNA23.由于真核生物染色體是線性DNA，它的兩端叫做端區(qū)，端區(qū)是由重復(fù)的寡核苷酸序列構(gòu)成的，前導(dǎo)鏈可以連續(xù)合成到末端，而由于隨從鏈?zhǔn)且砸环N不連續(xù)的形式合成岡崎片段，所以不能完成線性染色體末端的復(fù)制。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA23.真核生物體內(nèi)都存在一種特殊的反轉(zhuǎn)錄酶叫做端粒酶，它是由蛋白質(zhì)和RNA兩部分組成的，它以自身的RNA為模板，在隨從鏈模板DNA的3′末端延長DNA，再以這種延長的DNA為模板，繼續(xù)合成隨從鏈(圖)。分子生物學(xué)第二章染色體與DNA2

α

β

γ

δ

ε亞基數(shù)4

4

4

2

5分子量（KD)＞250

36-38

160-300

170

256細(xì)胞內(nèi)定位核核線粒體核核5′→3′聚合活性＋＋＋＋＋3′→5′外切活性－－－－－

功能復(fù)制、引發(fā)修復(fù)復(fù)制復(fù)制真核生物DNA聚合酶分子生物學(xué)第二章染色體與DNA21、大腸桿菌染色體DNA的復(fù)制調(diào)控染色體的復(fù)制與細(xì)胞分裂同步但不直接偶聯(lián)。復(fù)制子由復(fù)制起始物位點和復(fù)制起點組成。五、DNA復(fù)制的調(diào)控分子生物學(xué)第二章染色體與DNA21、大腸桿菌染色體DNA的復(fù)制調(diào)控復(fù)制起始物位點編碼復(fù)制調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)，復(fù)制起點與調(diào)節(jié)蛋白作用啟動復(fù)制?；蚓幋a的調(diào)節(jié)蛋白通過與復(fù)制復(fù)合物的