遗传信息传递

第11章 遗传信息的传递

学习目标

2 掌握DNA 的复制过程。

3 掌握DNA 、RNA 和蛋白质合成的原料和主要酶类。

4 掌握遗传信息的传递流程。

5 理解DNA 的修复种类和修复的意义。

6 理解转录、翻译的过程和蛋白质合成与医学的关系。

7 了解转录后加工过程和转录的调控。

DNA 是遗传的主要物质，遗传信息以碱基排列顺序的方式贮藏在DNA 分子中。基因（gene ）是编码生物活性物质的DNA 片断。DNA 通过复制把遗传信息由亲代传递给子代，通过转录将遗传信息传递到RNA 分子上，后者指导蛋白质的生物合成，这一过程称为翻译。遗传信息传递的这种规律称为中心法则（central dogma ）。70年代Temin 和Baltimore 分别从致癌RNA 病毒中发现逆转录酶，可以RNA 为模板指导DNA 的合成，遗传信息的传递方向和上述转录过程相反，故称为逆转录（reverse transcription ），并发现某些病毒中的RNA 也可以进行复制，这样就对中心法则提出了补充和修正，修正与补充后的中心法则如图11-l 。

蛋白质

翻译

图11-l 遗传信息传递的中心法则

DNA 为主导的中心法则是单向的信息流，体现了遗传的保守性；补充修正后的中心法则，使RNA 也处于中心地位，预示着RNA 可能有更广泛的功能。

2

DNA 的生物合成（复制）

一、DNA 的复制

（一）DNA 复制的方式

Watson 和Crick 在提出DNA 双螺旋结构模型时即推测，在DNA 复制过程中，两

条螺旋的多核苷酸链之间的氢键断开，然后以每条链各作为模板在其上合成新的互补链。这样新形成的两个子代DNA分子与原来DNA分子的碱基顺序完全相同。每个子代DNA分子的一条链来自于亲代，而另一条链则是新合成的产物，这种复制方式称为半保留复制。

1958年经Messelson与Stahl实验证实了Watson和Crick的DNA半保留复制假说。他们将细菌培养在以15NH4Cl为唯一氮源的培养基中，经多代培养之后，细胞内所有的DNA是含15N的重DNA，其密度比普通14N－DNA的密度大，在密度梯度离心时，15N－DNA形成的区带在14N－DNA形成的区带下放。

然后把含15N的细菌转入14N的培养基中培养，让细胞生长几代，并在不同时间取样进行分析。实验结果表明，第一代之后，DNA只出现一条区带，位于15N－DNA 和14N－DNA之间，这条区带的DNA是由14N－DNA和15N－DNA组成的。经两代之后，出现二条区带，一条为14N－DNA，另一条为14N－15N－DNA。三代后，则14N－DNA分子逐渐增多，而14N－15N－DNA分子不再增加，这些结果及解释可用图11－2来表示，证明DNA的复制是以半保留复制的方式进行的。

复制是在酶催化下的核苷酸聚合过程，需要多种酶和蛋白质因子参与。

1．DNA聚合酶DNA聚合酶又称DNA指导的DNA聚合酶（DNA directed DNA polymerase,DDDP）。在大肠杆菌提取液中发现了三种DNA聚合酶，分别称为DNA 聚合酶Ι、Ⅱ、Ⅲ。它们都是以DNA为模板催化DNA合成的酶。

DNA聚合酶Ι是一条单链多肽，其功能有：①催化DNA沿5’→3’方向延长。②具有3’→5’外切酶的活性。③5’→3’外切酶活性。

DNA聚合酶Ⅱ的作用尚不完全清楚。

DNA聚合酶Ⅲ是复制时起主要作用的酶，催化反应速度最快，每分钟能催化

9000个核苷酸聚合。在大肠杆菌体内，大多数新的DNA链的合成都是由聚合酶Ⅲ所催化的。DNA聚合酶Ⅲ也有3’ 5’核酸外切酶的活性，能切除错配的核苷酸。

在真核细胞中含有数种DNA聚合酶，主要有α、β、γ、δ等四种，DNA聚合酶α和δ是DNA复制时起主要作用的酶，DNA聚合酶β有最强的核酸外切酶活性，DNA 聚合酶γ存在于线粒体内，参与线粒体DNA的复制。

2．引物酶引物酶（primase）是一种特殊的RNA聚合酶。在DNA复制过程中，需要合成一小段RNA作为引物（primer），此RNA引物的碱基与DNA模板是互补的。引物酶即催化引物的合成。

3．解旋和解链酶类细胞内DNA复制时必须先解开DNA的超螺旋与双螺旋结构。解链酶、拓扑异构酶、单链结合蛋白可完成该作用。

4.DNA连接酶催化以氢键结合于模板DNA链的两个DNA片段连接起来，但并没有连接单独存在的DNA单链的作用。DNA连接酶不但是DNA复制所必需的，而且也是在DNA损伤的修复及重组DNA中不可缺少的酶。

（三）DNA的复制过程

1．起始DNA复制的起始先要解开DNA双螺旋，这主要靠解链酶和拓扑异构酶使DNA先解开一段双链，形成复制点，由于每个复制点的形状象一个叉子，故称复制叉（replication fork）。由于单链结合蛋白的结合，引物酶以解开DNA双链的一段DNA为模板，以核苷三磷酸为底物，按5’3’方向合成一小段RNA引物（5~100个核苷酸）。引物3’-OH末端就是合成新的DNA的起点。

分别以DNA的两条链为模板，同时合成两条新的DNA链。由于DNA分子的两条链是反向平行的，而新链的合成方向必须按5’3’方向进行，因此，新合成的链中有一条链合成方向与复制叉前进方向一致，故合成能顺利地（的）连续进行，此链称为领头链；而另一条链合成方向与复制叉前进方向相反，称随从链。随从链是不连续合成的，这些不连续的DNA片段称冈崎片段。当冈崎片段延长至一定长度，直到前一个RNA引物的5’-末端为止，然后在DNA聚合酶Ι的作用下，水解除去RNA引物，并

依据模板的碱基顺序，填补降解引物后留下的空隙。

3．终止复制叉中，领头链可以不断地延长，随从链是分为冈崎片段来延长的。在DNA聚合酶Ι的作用下，冈崎片段的引物被切除，并由DNA聚合酶Ι催化填补空隙，此时第一个片段的3’-OH端和第二个片段的5’-P端仍是游离的，DNA连接酶在这个复制的最后阶段起作用，把片段之间所剩的小缺口通过生成磷酸二酯键而接合起来，成为真正连续的子链。

二、DNA的损伤与修复合成

在DNA复制的过程中，DNA可能发生自发突变。环境因素，如电离辐射、紫外线照射、化学诱变剂及致癌病毒等也常能引起DNA分子的突变。DNA分子结构的任何异常改变都可看作是DNA损伤。生物体内有修复系统可使受损伤的DNA得以修复，以保持机体的正常功能和遗传的稳定性。如果损伤未能修复，可以导致生物体某些功能的缺失或死亡，也可以通过DNA的复制将变异传给子代DNA，造成基因突变。基因突变在物种的变异和进化上有十分重要的意义。基因突变也是分子病和细胞癌变的重要原因。

（一）DNA的损伤

某些物理及化学因素，如紫外线、电离辐射、化学诱变剂等，都能使DNA在复制过程中发生突变，这一过程叫DNA损伤。其实质就是DNA分子上碱基改变造成DNA结构和功能的破坏。主要机制如下：

1．紫外线照射引起DNA分子中相邻的胸腺嘧啶碱基之间形成二聚体，从而使DNA的复制和转录受到阻碍。

2．某些化学诱变剂，例如碱基的类似物5-溴尿嘧啶和2-氨基嘌呤可掺入到DNA 分子中，并引起特异的碱基转换突变，干扰DNA的复制。

3．抗生素及其类似物，如放线菌素D、阿霉素等，能嵌入DNA双螺旋的碱基对之间干扰DNA的复制及转录。

此外还有脱氨基物质、烷化剂、亚硝酸盐等均可阻碍DNA的正常复制和转录。

（二）DNA损伤的修复

5光修复可见光能激活光复活酶，催化胸腺嘧啶二聚体分解为单体。光复活酶几乎存在于所有的生物细胞中(图11-6)。