第十五章 DNA的复制、修复和重组

错配修复、碱基切除修复、核苷酸切除修复、直接修
复、重组修复及倾向差错的修复的过程及过程所需要 的酶类；了解DNA损伤修复的意义。
中心法则
DNA
复制 转录 逆转录
RNA
病毒（复制）
翻译
蛋白质
1953年，Watson和Crick提出中心法则：遗传信息的 单向流动。 1964-1970发现劳氏肉瘤病毒的遗传信息传递方式： 逆转录及RNA的复制存在于RNA病毒
也可以是单链DNA。合成产物与模板互补。
需要引物：一小段RNA(或DNA）为引物，在大肠杆菌中，DNA
的合成需要一段RNA链作为引物，引物含3’-OH。
合成方向：5 3
二、DNA复制的精确性（高保真复制）
DNA 复制必须具有高度精确性，在大肠杆菌的细胞 DNA 复制 中其错误率约为 1/109～ 1/1010，即每 109～ 1010个核苷酸才出现一 个错误，也就是大肠杆菌染色体 DNA 复制1000～ 10000次才出现
伤的修复能力下降，容易导致变异和死亡。推测该酶主要是对 DNA 损伤的修复，以及在 DNA 复制时 RNA 引物切除及其缺口 的填补。
DNA聚合酶催化的反应
DNA
聚
合 酶 Ⅰ 的
Ⅰ
功
能
Arthur Kornberg 1918 Stanford University Stanford, CA, USA
大肠杆菌双链环状DNA的复制（一个复制起点，双向复制） 真核细胞线状染色体DNA的复制方式（多个复制起点，双
向复制）
单向滚环式复制（噬菌体X174DNA — 单链环状）
3
不同位臵D-环式复制方式（线粒体双链环状DNA：两条链 的复制起点不同位臵，且复制不同步）
四、DNA复制的半不连续性
为夹子，（γ2δδ’χΨ）组成γ复合物，其主要功能是帮助β亚基
夹住DNA，故称为夹子装配器，该酶DNA合成的持续能力强，
主要与该结构有关。另外，该酶合成速度大，活性高，缺失
时 大 肠 杆 菌 因 D N A 复 制 抑 制 而 致 死 。
因此认为该酶DNA的真正复制酶。
DNA聚合酶Ⅲ全酶的亚基组成
Reverse transcription
中心法则图示
§1 DNA的代谢
一、DNA代谢包括DNA复制、修复和重组 二、大肠杆菌遗传图 遗传图：通过遗传学方法测定的一物种各基因 沿着染色体相对顺序和位置的排列图。
§2 DNA复制的一般规律
一、关于模板的概念
二、DNA的半保留复制 1. 定义 以亲代DNA双链为模板以碱基互补方式合成子代 DNA，这样新形成的子代 DNA中，一条链来自亲代 DNA， 而另一条链则是新合成的，这种复制方式叫半保留复制。 2. 半保留复制的实验证据 1958年Meselson和Stahl用15N
前导链：以3’ → 5’ 方向的
亲代链为模板连续合成的子代 前导链 链。
冈崎片段
滞后链：以5’ → 3’方向
滞后链
的亲代链为模板的子代链先
逆复制叉移动方向合成冈崎
片 段，再连接成滞后链。
半不连续复制的发现
日本学者冈崎（ 1968 ）：用3H dT标记T4噬菌体感染大肠杆 菌 短时间内分离的 DNA 均为 DNA 小片段 一段时间后
DNA聚合酶Ⅱ
多亚基酶，聚合作用，聚合活力比DNA聚合酶Ⅰ高；
持续合成DNA的能力差。该酶缺失时大肠杆菌仍具有 DNA 合成能力，推测该酶仍然不是真正的 DNA 聚合酶。 该酶具有3’ 5’外切酶活性。其功能可能 在修复紫外光引起的DNA损伤中起作用。
DNA聚合酶Ⅲ
含十种亚基: (αβγθτδδ’χΨε) ，其中(αεθ)称为核心酶，β2称
引发体的移动与复制叉移动的方向相同，与冈崎片段的合成
方向相反。
参与DNA复制的酶 与蛋白因子总览图
§4 细胞DNA复制的阶段性（以大肠杆菌为例）
一、复制的起始阶段
1、起始复合物的形成：称为引发
2、RNA引物的合成
二、复制的延长阶段
三、复制的终止阶段
复制原点 oriC 和原点的识别
DNA的复制有特定的起始位点，叫做复制原点，常用ori C （或o）表示。大肠杆菌的复制原点ori C由245 bp构成，含两 组保守的重复序列：三个13 bp的序列（富含A、T的序列）和
标记大肠杆菌DNA，首先证明了DNA的半保留复制。
全保留与 全新复制
分散复制
半保留复制
DNA 半保 留复 制图 示
半保留复制的证明
Meselson和Stahl将15N标记的15NH4Cl加入大肠杆菌
的培养基中培养12代，使大肠杆菌DNA都带上15N标记， 然后将该大肠杆菌转入14N的普通培养基中培养后,分离 子一代、子二代、子三代、子四代DNA，进行氯 化铯密度梯度离心，实验证明了DNA的半保留复制。
一个核苷酸的错误。这么高的精确性的保证主要与下列因素有关： （1）碱基的配对规律：摸板链与新生链之间的碱基配对保证 碱基配错几率约为1/104～1/105。 （2）DNA聚合酶的3’→5’外切酶活性的校对功能，使碱基
的错配几率又降低100～1000倍。
（3）DNA的损伤修复系统。
三、大肠杆菌三种DNA聚合酶
几个基本概念
复制：以亲代DNA或RNA为模板，根据碱基配对的原则，在一 系列酶的作用下，生成与亲代相同的子代DNA或RNA的过程。
转录：以 DNA 为模板，按照碱基配对原则合成 RNA ，即将 DNA
所含的遗传信息传给 RNA ，形成一条与 DNA 链互补的 RNA 的过程。 翻译：亦叫转译，以mRNA为模板，将mRNA的密码解读成蛋白 质的氨基酸顺序的过程。 逆转录：以RNA为模板，在逆转录酶作用下，生成DNA的过程。
Chapter 15 DNA的复制、修复和重组
目的要求
1. 掌握遗传信息传递的中心法则。
2. 掌握DNA复制的一般规律：DNA的半保留复制、DNA
的半不连续复制的概念。 3 . 了 解 三 种 大 肠 杆 菌 DNA 聚 合 酶 的 催 化 特 性 及 其 功 用；了解原核生物DNA的复制过程。 4 . 了 解 使 DNA 损 伤 的 因 素 ； DNA 损 伤 的 修 复 机 制 ：
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， 是保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代必要措施。 DNA在代谢上的稳定性并非指 DNA 是一种惰性物。
三、 DNA 复 制 的 起 点 与 方 向
双向复制
单向复制
复制中的DNA
复制原点
复制叉
DNA复制的主要方式
3’→5’外切酶
5’→3’外切酶 聚合速度（核苷酸/分）
＋
＋ 1,000-1,200
＋
－ 2,400
＋
－ 15,000-60,000
持续合成能力
功能
3-200
切除引物，修复
1,500
修复
≥500,000
复制
四、DNA复制许多酶和蛋白因子
蛋白质
DNA旋转酶 （或拓扑异构酶）
功能
引入或松开超螺旋
相对分子量 （×103）
检测到 DNA 大片段。当用 DNA 连接酶缺失的变异株时，检测到
大量DNA小片段的积累。证明DNA复制中有小片段合成。
§3
DNA聚合酶
一、DNA是由DNA聚合酶催化合成的
1956年，Kornberg等在大肠杆菌中首先发现 DNA聚合酶， 其后发现该酶在许多生物中广泛存在。该酶的催化性质如下：
原料：四种脱氧核苷三磷酸（dNTP） 需要模板：以DNA为模板链，合成子代DNA，模板可以是双链,
DNA
聚 合 酶 Ⅲ
前导链的合成
滞后链的合成
的
异 二 聚 体
DNA双螺旋
DNA聚合酶 Ⅲ的β-钳子 俯视图
大肠杆菌三种DNA聚合酶比较
DNA PolⅠ
结构基因＊ 不同种类的亚基数目 相对分子质量 Pol A 1 103,000
DNA Pol Ⅱ
Pol B ≥7 88,000
DNA Pol Ⅲ
Pol C ≥10 830,000
亚基 α ε θ τ γ δ δ’ χ Ψ β 相对分子 量 132000 27000 10000 71000 52000 35000 33000 15000 12000 37000 亚基 数目 2 2 2 2 2 1 1 1 1 4 基因 dnaE dnaQ holE dnaX dadX＊ holA holB holC holD dnaN 亚基功能 聚合作用 3’ → 5’外切酶的校对功能 组建核心酶 使核心酶二聚化 依赖DNA的ATP酶，形成γ复合物 与β亚基结合，形成γ复合物 形成γ复合物 形成γ复合物 形成γ复合物 两个β亚基形成滑动夹子，以提高酶 的持续合成能力。
亲代DNA（15N～15N）
子一代DNA（15N～14N）
子二代DNA(15N～14N,14N～14N 1:1) 子三代DNA(15N～14N,14N～14N 1:3) 子四代DNA(15N～14N,14N～14N 1:7) 亲代DNA与子二代DNA的混合物 亲代DNA与子四代DNA的混合物
复制中的大肠杆菌染色体放射自显影图
400
分子/细胞
ห้องสมุดไป่ตู้
DNA解链酶
单链结合蛋白 引物合成酶 DNA聚合酶Ⅰ
使双链DNA解链
稳定单链区 合成RNA引物 除去引物并填满缺口
65
74 60 109
50
300 100 300
拓扑异构酶：催化DNA的拓扑连环数发生变化的酶, 在DNA重组修复和其它转变方面起重要作用。 除连环数不同外其它性质均相同的DNA分子称为拓 扑异构体，催化拓扑异构体之间互变的酶称为拓扑