第12章DNA的复制重组与修复
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第十二章
DNA的复制、修复和重组
分子生物学的中心法则(central-dogma): 1958年，由Francis.Crick提出。
第一节
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
第二节
DNA复制的一般规律
一、关于模板的概念
模板（template）： 1.早期推测模板分子的表面可以让许多小分
复制一条新链。二个子代DNA分子碱基顺 序与亲代分子完全一致，其中一条链来自 亲代DNA链，另一条是新合成的。
The Meselson-Stahl experiment:
1957年， 由 Mathew Meselson 和Franklin Stahl设 计。
三、DNA复制的起点与方向
复制从原点（origin）开始双向进行的 John Cairns experiment
子按一定排列顺序排列，然后连接这些小 分子形成有特定结构和功能的大分子。 2.Watson-Crick DNA双螺旋结构表明，DNA 双链严格按碱基配对互补，故，如以一条 链为模板，可合成另一条有既定顺序的互 补链。
二、DNA复制是半保留的
半保留复制(semi conservative replication): 亲代的DNA双链，每条链都可作为模板，
具有高度专一的DNA修复功能（appears to have a highly specialized DNA repair function ）。
DNA聚合酶Ⅲ（ pol Ⅲ）： 为E.coli的主要复制酶（replicase）。
1.全酶含10种亚基,为不对称二聚体。 2.α,ε和θ 组成核心酶 （α具有5′→3′聚合 酶 活性， ε具有3′→5′外切酶活性和碱基选择功能） 。
3. 使核心酶形成二聚体。
4.γ２δδ′χψ构成钳安装复合物。 5.核心酶二聚体＋钳安装复合物Ⅲ*型DNA聚合酶
（连续性低）。
4.β 形成围绕模板链的滑动钳，使酶沿模板链滑动防 止酶从模板解离连续性↑。
E.coli pol Ⅲ的β两个亚基形成环形钳子围绕DNA
三、 DNA聚合酶催化DNA合成的精确性
DNA聚合反应的两个基本规律： 1. 所有DNA聚合酶催化DNA合成均需要模板（all
DNA polymerases require a template）. 2. 聚合反应需要引物（a primer is required）.
催化反应的连续性（processivity）： DNA聚合酶不离开模板连续加接一定数量
核苷酸的过程称为催化反应的连续性
二、E.coli的三种DNA聚合酶
DNA polymerase I (pol Ⅰ，Kornberg酶): 1.催化的反应： (1) 5′→3′的聚合活性; (2) 5′→3′外切酶活性：切除引物，切除突变片段。
(3) 3′→5′外切酶活性：切除错配的碱基。
2.结构及作用：
Klenow fragment
3.主要功能：
(1)在DNA复制、重组和修复起修缮工作用 （ 5′→3′外切酶活性）（This enzyme serves a
host of “clean-up” functions during replication, recombination, and repair.）
1.正确和错误核苷酸的区分： 依靠互补碱基正确配对建
立的氢键:
不正确的碱基不能与模板
链上的碱基形成正确的氢 键。
2.DNA聚合酶在复制延长中对 碱基的选择功能：
pol Ⅲ的ε亚基。
3.复制中出错时有即时的校读 功能：
pol Ⅰ的3′→5′外切酶活 性。
四、DNA复制需要许多酶和蛋白质因子
E.coli的DNA复制需要至少20个酶和蛋白组成的 DNA复制酶系统或复制体（the DNA replicase system or the replisome）
(2)对复制中的错误进行校读（ 3′→5′外切酶活性， 5′→3′ 聚合酶活性）；
切口位移作用（nick translation）:
Pol I 的5´→3´
外切酶活性可切除与 模板链配对的 RNA 或 DNA 片段, 并同时 用一条新合成的DNA 链取代之。
DNA聚合酶Ⅱ（ polⅡ）
1. 5′→3′聚合 ; 2. 3′→5′外切。
解旋酶（helicases） DNA拓扑异构酶（topoisomerases） DNA单链结合蛋白（single strand DNA binding
proteins,SSB) 引物酶（primases） DNA连接酶（DNA ligases）
第四节
细胞DNA复制的阶段性
一、起始（initiation）
四、DNA的复制是半不连续的
DNA合成的方向为5´3´，复制是半不连续的。
第三节
DNA聚合酶
一、DNA是由DNA聚合酶催化合成的
1955年，Arthur Kornberg 及其同 事从 E. coli发现I 型DNA 聚合酶 （DNA polymerase I ）。
DNA polymerase I 催化的反应： (dNMP)n+dNTP→ (dNMP)n+1+PPi
在primer 3′-OH端接上相应的核苷酸。
滞后链的合成：（Synthesis of Okazaki fragments.）
Pol III二聚体对前导链和后随链合成的协调.
后随链RNA引物的切除 （Removal of RNA primers in the lagging strand.）
E. coli的复制原点oriC由 245 bp组成：
有关的酶类与蛋白:
DnaA蛋白在起始 阶段起关键作用
（The key component in the initiation process is the DnaA protein）
Байду номын сангаас
二、延长（elongation ）
前导链的合成： 1. 引物（primer）的生成:由引物酶（primase）催化 （1）细菌：50~100nt； （2）哺乳动物细胞：10nt。 2.在RNA primer上由 pol Ⅲ催化，按5′ →3′ 方向，
DNA的复制、修复和重组
分子生物学的中心法则(central-dogma): 1958年，由Francis.Crick提出。
第一节
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
第二节
DNA复制的一般规律
一、关于模板的概念
模板（template）： 1.早期推测模板分子的表面可以让许多小分
复制一条新链。二个子代DNA分子碱基顺 序与亲代分子完全一致，其中一条链来自 亲代DNA链，另一条是新合成的。
The Meselson-Stahl experiment:
1957年， 由 Mathew Meselson 和Franklin Stahl设 计。
三、DNA复制的起点与方向
复制从原点（origin）开始双向进行的 John Cairns experiment
子按一定排列顺序排列，然后连接这些小 分子形成有特定结构和功能的大分子。 2.Watson-Crick DNA双螺旋结构表明，DNA 双链严格按碱基配对互补，故，如以一条 链为模板，可合成另一条有既定顺序的互 补链。
二、DNA复制是半保留的
半保留复制(semi conservative replication): 亲代的DNA双链，每条链都可作为模板，
具有高度专一的DNA修复功能（appears to have a highly specialized DNA repair function ）。
DNA聚合酶Ⅲ（ pol Ⅲ）： 为E.coli的主要复制酶（replicase）。
1.全酶含10种亚基,为不对称二聚体。 2.α,ε和θ 组成核心酶 （α具有5′→3′聚合 酶 活性， ε具有3′→5′外切酶活性和碱基选择功能） 。
3. 使核心酶形成二聚体。
4.γ２δδ′χψ构成钳安装复合物。 5.核心酶二聚体＋钳安装复合物Ⅲ*型DNA聚合酶
（连续性低）。
4.β 形成围绕模板链的滑动钳，使酶沿模板链滑动防 止酶从模板解离连续性↑。
E.coli pol Ⅲ的β两个亚基形成环形钳子围绕DNA
三、 DNA聚合酶催化DNA合成的精确性
DNA聚合反应的两个基本规律： 1. 所有DNA聚合酶催化DNA合成均需要模板（all
DNA polymerases require a template）. 2. 聚合反应需要引物（a primer is required）.
催化反应的连续性（processivity）： DNA聚合酶不离开模板连续加接一定数量
核苷酸的过程称为催化反应的连续性
二、E.coli的三种DNA聚合酶
DNA polymerase I (pol Ⅰ，Kornberg酶): 1.催化的反应： (1) 5′→3′的聚合活性; (2) 5′→3′外切酶活性：切除引物，切除突变片段。
(3) 3′→5′外切酶活性：切除错配的碱基。
2.结构及作用：
Klenow fragment
3.主要功能：
(1)在DNA复制、重组和修复起修缮工作用 （ 5′→3′外切酶活性）（This enzyme serves a
host of “clean-up” functions during replication, recombination, and repair.）
1.正确和错误核苷酸的区分： 依靠互补碱基正确配对建
立的氢键:
不正确的碱基不能与模板
链上的碱基形成正确的氢 键。
2.DNA聚合酶在复制延长中对 碱基的选择功能：
pol Ⅲ的ε亚基。
3.复制中出错时有即时的校读 功能：
pol Ⅰ的3′→5′外切酶活 性。
四、DNA复制需要许多酶和蛋白质因子
E.coli的DNA复制需要至少20个酶和蛋白组成的 DNA复制酶系统或复制体（the DNA replicase system or the replisome）
(2)对复制中的错误进行校读（ 3′→5′外切酶活性， 5′→3′ 聚合酶活性）；
切口位移作用（nick translation）:
Pol I 的5´→3´
外切酶活性可切除与 模板链配对的 RNA 或 DNA 片段, 并同时 用一条新合成的DNA 链取代之。
DNA聚合酶Ⅱ（ polⅡ）
1. 5′→3′聚合 ; 2. 3′→5′外切。
解旋酶（helicases） DNA拓扑异构酶（topoisomerases） DNA单链结合蛋白（single strand DNA binding
proteins,SSB) 引物酶（primases） DNA连接酶（DNA ligases）
第四节
细胞DNA复制的阶段性
一、起始（initiation）
四、DNA的复制是半不连续的
DNA合成的方向为5´3´，复制是半不连续的。
第三节
DNA聚合酶
一、DNA是由DNA聚合酶催化合成的
1955年，Arthur Kornberg 及其同 事从 E. coli发现I 型DNA 聚合酶 （DNA polymerase I ）。
DNA polymerase I 催化的反应： (dNMP)n+dNTP→ (dNMP)n+1+PPi
在primer 3′-OH端接上相应的核苷酸。
滞后链的合成：（Synthesis of Okazaki fragments.）
Pol III二聚体对前导链和后随链合成的协调.
后随链RNA引物的切除 （Removal of RNA primers in the lagging strand.）
E. coli的复制原点oriC由 245 bp组成：
有关的酶类与蛋白:
DnaA蛋白在起始 阶段起关键作用
（The key component in the initiation process is the DnaA protein）
Байду номын сангаас
二、延长（elongation ）
前导链的合成： 1. 引物（primer）的生成:由引物酶（primase）催化 （1）细菌：50~100nt； （2）哺乳动物细胞：10nt。 2.在RNA primer上由 pol Ⅲ催化，按5′ →3′ 方向，