染色体与DNA

第二章

一、染色体的组成与结构

二、 DNA的组成与结构

三、 DNA的复制

四、原核与真核生物DNA的比较

五、DNA的修复

六、DNA的转座

本章主要内容

1、细胞－染色体－DNA• 真核细胞的结构

一、染色体的组成与结构一、染色体的组成与结构

原核与真核染色体DNA比较

1、原核生物中一般只有一条染

色体且大都带有单拷贝基因，只

有很少数基因〔如rRNA基因〕

是以多拷贝形式存在；

2、整个染色体DNA几乎全部由

功能基因与调控序列所组成；

3、几乎每个基因序列都与它所

编码的蛋白质序列呈线性对应状

态。

• 染色体的形态示意图

人类染色体的编号

染色体形成过程中长度与宽度的变化

宽度增加 长度压缩

500-1000倍 8400倍(8000-10000)

第一级 DNA+组蛋白 核小体 5倍 7倍

第二级 核小体 螺线体 3倍 6倍

第三级 螺线体 超螺线体 13倍 40倍

第四级 超螺线体 染色体 2.5-5倍 5倍

• 染色体作为遗传物质的特征：

• 分子相对稳定；

• 能自我复制，保持遗传连续性；

• 能指导蛋白质合成，控制生命过程；

• 能产生可遗传的变异

22、真核生物、真核生物染色体的组成与结构染色体的组成与结构

DNA的分布

主要在染色体上 细胞质内

细胞核遗传 细胞质遗传

生物的遗传

（所以说，染色体是DNA的

主要载体）

例：紫茉莉叶色的遗传

• 化学组成– (1). DNA：约占30%，每条染色体一个双链

DNA分子• 是遗传信息的载体，也就是所谓的遗传物质

– (2). 蛋白质• 组蛋白(histone)：呈碱性，结构稳定；与DNA结合形成、维持染色质结构，与DNA含量呈一定的比例

• 非组蛋白：呈酸性，种类和含量不稳定；作用还不完全清楚，可能与染色质结构调节有关，在DNA遗传信息的表达中有重要作用

– (3). 另外，可能存在少量的RNA

• 组蛋白分为H1、H2A、H2B、H3、H4• （1）进化上的极端保守性

• （2）无组织特异性:到目前为止，仅发现鸟类、鱼类及两栖类红细胞染色体不含H1而带有H5，精细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白。

• （3）肽链上AA分布的不对称性:碱性氨基酸集中分布在N端的半条链上。

• （4）组蛋白的修饰作用:包括甲基化、乙基化、磷酸化及ADP核糖基化等

• （5）富含赖氨酸的组蛋白H5

组蛋白的特性（组蛋白的特性（P24P24表）表）

• 非组蛋白占组蛋白总量的60－70%，主要包括酶类及与细胞分裂相关的各种蛋白质：

• 非组蛋白的多样性:非组蛋白的量大约是组蛋白的60%～70%，但它的种类却很多，约在20-100种之间，其中常见的有15-20种。

非组蛋白的组织专一性和种属专一性。

• （1）HMG蛋白：富含赖AA、精AA、谷AA与天冬AA，与DNA的超螺旋结构有关

• （2）DNA结合蛋白：与DNA的复制或转录有关的酶或调节物质

• （3）A24非组蛋白：与H2A差不多大小，呈酸性，含谷AA与天冬AA多，于核小体内，功能不详

非组蛋白主要种类非组蛋白主要种类

• （1）不重复序列：占40－80%，是主要的结

构基因；

• （2）中度重复序列：占10－40%，重复次数101－104，各种rRNA和tRNA及结构基因；

• （3）高度重复序列：卫星DNA，占10－60%，重复达数百万次，不转录，多位于着丝

粒处，是异染色质组分，可能与染色体稳定有关。

DNADNA类别类别

染色体的结构模型

• 贝克等(Bak, A. L., 1977)：染色体四级结构模型理论

能够在一定程度上解释染色质状态转化的过程

– 1. DNA+组蛋白 核小体+连接丝

– 2. 核小体 螺线体(solenoid)

– 3. 螺线体 超螺线体(super-solenoid)

– 4. 超螺线体 染色体

DNA+组蛋白

核小体+连接丝

核小体+连接丝

螺线体(solenoid)

螺线体

超螺线体(super-solenoid)

超螺线体

染色体

• 核小体是由H2A、H2B、H3、H4各两个分子生成的八聚体和由大约200bpDNA组成的。八聚体在中间，DNA分子盘绕在外，而H1则在核小体的外面。每个核小体只有一个H1。

• 在核小体中DNA盘绕组蛋白八聚体核心，从而使分子收缩成1/7，200bpDNA的长度约为68nm，却被压缩在10nm的核小体中。但是，人中期染色体中含3.3×109碱基对，其理论长度应是180cm，这么长的DNA被包含在46个51μm长的圆柱体（染色体）中，其压缩比约为104。

• 1、化学组成与基本单位

基本单位－脱氧核苷酸

脱氧核糖

碱基

磷酸

AGCT

二、二、 DNADNA的组成与结构的组成与结构

• 核苷酸中的嘌呤碱主要是鸟嘌呤(G)和腺嘌呤(A)，嘧啶碱主要是胞嘧啶(C)、尿嘧啶(U)和胸腺嘧啶(T)。 DNA和RNA都含有鸟嘌呤(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。

核酸中五种碱基中的酮基和氨基，均位于碱基环中氮原子的邻位，可以发生酮式一烯醇式或氨基　亚氨基之间的结构互变。这种互变异构在基因的突变和生物的进化中具有重要作用。

有些核酸中还含有修饰碱基，(或稀有碱基)，这些碱基大多

是在上述嘌呤或嘧啶碱的不同部位甲基化或进行其它的化学修饰而形成的衍生物。一般这些碱基在核酸中的含量稀少。

腺嘌呤脱氧核苷酸 鸟嘌呤脱氧核苷酸

胞嘧啶脱氧核苷酸 胸腺嘧啶脱氧核苷酸

脱氧核苷酸的种类脱氧核苷酸的种类

核酸中的戊糖有核糖(ribose)和脱氧核糖(deoxyribose)两种，分别存在于核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸中。

戊糖与嘧啶或嘌呤碱以糖苷键连接就称为核苷，通常是戊糖的C1′与嘧啶碱的N1或嘌呤碱的N9相连接。

GA

C T

核苷中戊糖的羟基与磷酸以磷酸酯键连接而成为核苷酸。生物体内的核苷酸大多数是核糖或脱氧核糖的C5′上羟基被磷酸酯化，形成5′核苷酸

• 核酸是由很多单核苷酸聚合形成的多聚核苷酸

(polynucleotide)，DNA的一级结构即是指四种核苷

酸(dAMP、dCMP、dGMP、dTMP)按照一定的排

列顺序，通过磷酸二酯键连接形成的多核苷酸，由

于核苷酸之间的差异仅仅是碱基的不同，故又可称

为碱基顺序。核苷酸之间的连接方式是：一个核苷

酸的5′位磷酸与下一位核苷酸的3′-OH形成

3′，5′磷酸二酯键，构成不分支的线性大分子，

其中磷酸基和戊糖基构成DNA链的骨架，可变部分

是碱基排列顺序。

DNADNA的一级结构的一级结构

1、DNA分子是由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成

的。

2、DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧，构成

基本骨架，碱基排列在内侧。

3、两条链上的碱基通过氢键相结合，形成碱基对，它的组成

有一定的规律。这就是嘌呤与嘧啶配对，而且腺嘌呤（A）只

能与胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤（G）只能与胞嘧啶（C）配

对。碱基之间的这种一一对应的关系叫碱基互补配对原则。由

于碱基可以任何顺序排列，构成了DNA分子的多样性。例如，

某DNA分子的一条多核苷酸链有100个不同的碱基组成，它们

的可能排列方式就是4100。

DNADNA高级结构，它主要以有规则的双螺旋形式存在，基本特点是：高级结构，它主要以有规则的双螺旋形式存在，基本特点是：

连

接

连

接

A

T

G

C

A

T

G

C

50年代初，Chargaff应用紫外分光光度法结合纸层析等简单技术，对多种生物DNA作碱基定量分析，发现DNA碱基组成

有如下规律DNA来源 腺嘌呤（A） 胸腺嘧啶（T） 鸟嘌呤（G） 胞嘧啶（C） （A+T）/（G+C）

大肠杆菌 25.4 24.8 24.1 25.7 1.01小麦 26.8 28.0 23.2 22.7 1.21鼠 29.7 25.6 21.9 22.8 1.21猪：肝 29.4 29.7 20.5 20.5胸腺 30.0 28.9 20.4 20.7 1.43脾 29.6 29.2 20.4 20.8酵母 31.3 32.9 18.7 17.5 1.079

(1)同一生物的不同组织的DNA碱基组成相同；

(2)一种生物DNA碱基组成不随生物体的年龄、营养状态或者环境变化而改变；

3)几乎所有的DNA，(A］=［T)，(G］=［C)，(［A＋G］=［C]＋［T)。(4)不同生物来源的DNA碱基组成不同，表现在A＋T/G＋C比值的不同；

2、DNA的二级结构

•DNADNA的双螺旋结构模式的双螺旋结构模式

WatsonWatson和和CrickCrick以立体化学原理为准则，对以立体化学原理为准则，对WilkinsWilkins和和FranklinFranklin的的DNaDNa XX　　射线衍射分析结果加以研究，提出了射线衍射分析结果加以研究，提出了DNADNA结构的双结构的双

螺旋模式，其主要内容如下：螺旋模式，其主要内容如下：

DNA的双螺旋结构模式要点• (1)在DNA分子中，两股DNA链围绕一假想的共同轴心形成一右手螺

旋结构，双螺旋的螺距为3.4nm，直径为2.0nm。

• (2)链的骨架(backbone)由交替出现的、亲水的脱氧核糖基和磷酸基构

成，位于双螺旋的外侧。

• (3)碱基位于双螺旋的内侧，两股链中的嘌呤和嘧啶碱基以其疏水的、

近于平面的环形结构彼此密切相近，平面与双螺旋的长轴相垂直。一股链

中的嘌呤碱基与另一股链中位于同一平面的嘧啶碱基之间以氢链相连，称

为碱基互补配对或碱基配对(base pairing)，碱基对层间的距离为

0.34nm。碱基互补配对总是出现于腺嘌呤与胸腺嘧啶之间(A=T)，形成两

个氢键；或者出现于鸟嘌呤与胞嘧啶之间(G=C)，形成三个氢键。

• (4)DNA双螺旋中的两股链走向是反平行的，一股链是5′→3′走

向，另一股链是3′→5′走向。两股链之间在空间上形成一条大沟和一条

小沟，这是蛋白质识别DNA的碱基序列，与其发生相互作用的基础。

• B-DNA：Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构属于B型双螺旋，它是以在生理盐溶液中抽出的DNA纤维在92%相对湿度下进行X－射线衍射图谱为依据进行推测的，这是DNA分子在水性环境和生理条件下 稳定的结构。

• A-DNA：在以钾或绝作反离子，相对湿度为75%时，DNA分子的X－射线衍射图给出的是A构象，A－DNA每螺旋含11个碱基对，而且变成A－DNA后，大沟变窄、变深，小沟变宽、变浅。

• Z－DNA：它是左手双螺旋，与右手螺旋的不同是螺距延长(4.5nm左右)，直径变窄(1.8nm)，每个螺旋含12个碱基对，分子长链中磷原子不是平滑延伸而是锯齿形排列，有如“之”字形一样，因此叫它Z构象，这一构象中的重复单位是二核苷酸而不是单核苷酸；而且Z－DNA只有一个螺旋沟，它相当于B构象中的小沟，它狭而深，大沟则不复存在(图15-7)。进一步的分析还证明，Z－DNA的形成是DNA单链上出现嘌呤与嘧啶交替排列所成的。比如CGCGCGCG或者CACACACA。

DNADNA结构的多态性结构的多态性

双螺旋 碱基倾 碱基夹 碱基间距 螺距 每轮碱 小沟宽／nm× 大沟宽nm×

角／（°） 角（°） /nm ／nm 基数 小沟宽nm 大沟宽nm

B-DNA 0 36.0 0.337 3.4 10 0.57×0.75 1.17×0.85

C-DNA 6 38.0 0.331 3.1 9.3 0.48×0.79 1.05×0.75

D-DNA 45.0 0.303 0.13×0.67 0.89×0.58

A-DAN 20 32.7 0.256 2.8 11 1.10×0.28 0.27×1.35

总之，DNA的双螺旋结构永远处于动态平衡中，DNA分子构象的

变化与糖基和碱基之间空间相对位置有关。

不同右手双螺旋不同右手双螺旋DNADNA的结构参数的结构参数

• Z－DNA的生物学意义：应当指出Z－DNA的形成通常在热力学上是不利

的。因为Z－DNA中带负电荷的磷酸根距离太近了，这会产生静电排斥。

但是，DNA链的局部不稳定区的存在就成为潜在的解链位点。DNA解螺旋

却是DNA复制和转录等过程中必要的环节，因此认为这一结构与基因调节

有关。

• 此外，DNA螺旋上沟的特征在其信息表达过程中起关键作用。调控蛋白都

是通过其分子上特定的氨基酸侧链与DNA双螺旋沟中的碱基对一侧的氢原

子供体或受体相互作用，形成氢键从而识别DNA上的遗传信息的。大沟所

带的遗传信息比小沟多。沟的宽窄和深浅也直接影响到调控蛋白质对DNA信息的识别。Z　DNA中大沟消失，小沟狭而深，使调控蛋白识别方式也

发生变化。这些都暗示Z　DNA的存在不仅仅是由于DNA中出现嘌呤一啶

嘧交替排列之结果，也一定是在漫漫的进化长河中对DNA序列与结构不断

调整与筛选的结果，有其内在而深刻的含意，只是人们还未充分认识而

已。

(一)DNA超螺旋

双螺旋DNA进一步扭曲盘绕则形成其三级结构，超螺旋是DNA三级结构的主要形式。

对于真核生物来说，虽然其染色体多为线形分子但其DNA均与蛋白质相结合，两个结合点之间的DNA形成一个突环(loop)结构，类似于CCC分子，同样具有超螺旋形式。超螺

旋按其方向分为正超螺旋和负超螺旋两种。真核生物中，DNA与组蛋白八聚体形成核小体结构时，存在着负超螺旋。研究发现，所有的DNA超螺旋都是由DNA拓扑异构酶

产生的。

DNADNA的三级结构（高级结构）的三级结构（高级结构）

• (二)染色质和核小体

• 真核生物的染色体在细胞生活周期的大部分时间里都是以

染色质的形式存在的。染色质是一种纤维状结构，叫做染色质丝，它是由 基本的单位棗核小体成串排列而成的。DNA是染

色体的主要化学成分，也是遗传信息的载体，约占染色体全部成分的27%，另外组蛋白和非组蛋白占66%，RNA占6%。

• 核小体是构成染色质的基本结构单位，使得染色质中DNA、RNA和蛋白质组织成为一种致密的结构形式。核小体由核心颗粒(core particle)和连接区DNA(linker DNA)二部分组成，在电镜下可见其成捻珠状，前者包括组蛋白H2A，H2B，H3和H4各两分子构成的致密八聚体(又称核心组蛋白)，以及缠绕其上一又四分之三圈长度为146bp的DNA链；后者包括两相邻核心颗粒间约60bp的连接DNA和位于连接区DNA上的组蛋白H1，连接区使染色质纤维获得弹性。

• DNA做为遗传物质的基本特点就是在细胞分裂前进

行准确地自我复制(self　replication)，使DNA的量

成倍增加，这是细胞分裂的物质基础。

• 1953年Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型指

出，DNA是由二条互补的脱氧核苷酸链组成，所以

一条DNA链上的核苷酸排列顺序是由图16-1双螺旋

DNA的复制另一条决定的。这就说明DNA的复制是

由原来存在的分子为模板来合成新的链。曾经有过

多种关于DNA复制方式的学说，包括半保留复制，

全保留复制以及分散复制等

三、三、DNADNA的复制的复制

• Watson和Crick在提出DNA双螺旋结构模型时即推测，DNA在复制时首先两条链之间的氢键

断裂两条链分开，然后以每一条链分别做模板各自合成一条新的DNA链，这样新合成的子代DNA分子中一条链来自亲代DNA，另一条链是

新合成的，这种复制方式为半保留复制。

• 1958年Meselson和Stahl利用氮标记技术在大肠杆菌中首次证实了DNA的半保留复制（实验

验证）

DNA的半保留复制第

一代分子含有一条亲代的链(用黑色素示)，与另一条新合成的链(用白色表示)配对。在以后的

连续复制过程中，原来亲代的两条链仍然保持完整，因此总有两个分子各具有一条原来亲代的链。

11、、DNADNA的半保留复制的半保留复制

• DNA双螺旋是由两条方向相反的单链组成

• 形成一个复制叉

• 生物体内DNA聚合酶只能催化DNA从5′→3′的方向合成。

在以3′→5′方向的母链为模板时，复制合成出一条5′→3′方向的前导链(leadingstrand)，前导链的

前进方向与复制叉打开方向是一致的，因此前导链的合成是连续进行的，而另一条母链DNA是5′→3′方向，它作为模板时，复制合成许多条5′→3′方向的短链，叫做随从链(lagging strand)，随从链的前进方向是与复制叉的打开方向相反的。随从链只能先以片段的形式合成，这些片段就叫做岗崎片段。

DNA的复制可被分为三个阶段，即复制起始、延伸和终止。每个DNA复制的独立单元被称为复制子（replicon），主要包括复制起始位点（Origine of replication）和终止

位点

22、、DNADNA复制的一般过程：复制的一般过程：

⒈复制是半保留的。

⒉原核生物一般只有一个复制原点，真核生物有多个复制原点。

⒊复制可单向进行，也可双向进行，后者更为常见。

⒋复制是半不连续的，两条链都是以5‵→ 3‵方向合成，其中，前导链是连续合成的，后随链是不连续合成的，即先合成短的冈崎片段，再连接成后随链。

⒌复制开始时需要一段引物RNA ，在复制进行到一定程度后被切除，并以一段DNA代替。

⒍复制具有严格的保证复制准确性的机制。

在复制过程中，有多种酶和蛋白质参与，可能就是保证复制准确性所必需的，DNA聚合酶的校正作用，也可能是保证复制准确性的数种途径之一。

DNADNA复制具有以下特点：复制具有以下特点：

原核生物的整个染色体上一般只有一个复制起始位点。

真核生物中，DNA的复制是从许多起始点同时开始的，所以每

个DNA分子上有许多个复制子。

DNA复制起始点有结构上的特殊性，例如：大肠杆菌染色体

DNA复制起始点Oric由422个核苷酸组成，是一系列对称排

列的反向重复序列，即回文结构。

大肠杆菌中的复制起始位点是Ori C，全长245Bp，该序列在所

有细菌复制起始位点中都是保守的。

（（11））DNADNA复制的起始点复制的起始点

• 大肠杆菌DNA的复制需要有20种左右的酶和蛋白质因子参与，整个

DNA复制机器被称之为DNA replicase system或replisome。其中：

• Helicase，任何DNA在被复制前都必须解开双链，这个过程是由

helicase来完成的，它可在ATP的作用下将DNA母链不断解开形成单

链。

Topoisomerase，主要功能是消除DNA解链过程中所产生的扭曲

力。

DNA结合蛋白，使新解链的DNA保持稳定结构。

Primases，为DNA复制提供RNA引物。

DNA polymerases，合成新生DNA链，切除RNA引物。

DNA Ligases，使新生DNA链上的缺口（3'-OH, 5'-p）生成磷酸二酯

键。

DNA复制起始中的主要步骤a. 大约20个左右的DnaA蛋白首先与OriC中的4个9碱基重复区相结合；b. 识别并使3个13碱基串联重复区DNA形成开环结

构；c. DnaB蛋白在DnaC的帮助下与未解链序列结合。每六个DnaB蛋白形成一组并与一条DNA母链结合，可在不同方向同时起始DNA的复制。当细胞中存在足够的SSB和DNA gyrase时，DnaB的解链效

率非常高。

整个DNA复制过程中，只有复制起始受细胞周

期的严格调控。

(1)定点开始双向复制：

这是原核生物和真核生物DNA复制 主要的形

式，从一个特定位点解链，沿着两个相反的方向各生长出两条链，形成一个复制泡。

(2)定点开始单向复制：

质粒colE1是个典型的例子，复制从一个起始点开始，以同一方向生长出两条链，形成一个复制叉(replication fork)。

(3)两点开始单向复制：

腺病毒DNA的复制是从两个起点开始的，形成两个复制叉，各以一个单一方向复制出一条新链。

（（22））DNADNA复制的方向：复制的方向：

主要包括两个不同但相互有联系的事件，即前导链和滞后链的合成。由DNA helicase解开双螺旋，由拓朴异构酶消除DNA链上的扭曲力，SSB结合使DNA单链稳定。

前导链的合成：由DnaG（primase）在复制起始位点附近合成一个10-60 nt的RNA引物，然后由polII把dNTP加到该引物上。

滞后链的合成：产生Okazaki fragments，消除RNA引物并由DNA pol I补上这一小段DNA序列，由DNA Ligase把两个片段相连。

DNA链生长方向的

三种机制

（（33）） DNADNA子链的延伸子链的延伸

（4）. DNA链的终止

链的终止过程：

当复制叉前移遇到20bp重复性终止子序列（Ter）时， Ter－Tus复合物能阻挡复制叉的继续前移，当相反

方向复制叉到达后在DNA拓扑异构酶作用下使复制叉解

体，释放子链DNA。

逆时针方向复制叉

复制起始位点顺时针方向复

制叉

顺时针方向复制叉陷阱

逆时针方向复制叉

陷阱

（一）DNA复制起始引发体的形成及所参与的酶和蛋白质

1.解链酶(helicase)：打开DNA双链之间的氢键。

2.单链结合蛋白(SSBP) ：它与解开的单链DNA结合，使其稳定不会再度螺旋化并且避免核酸内切酶对单链DNA的水解，保证了单链DNA做为模板时的伸展状态，SSBP可以重复利用

3.引发体的形成：

(1)引物酶(primase)：它是一种特殊的RNA聚合酶，可催化短片段RNA的合成。这种短RNA片段一般十几个至数十个核苷酸不等，它们在DNA复制起始处做为引物。RNA引物的3′oH末端提供了由DNA聚合酶催化形成DNA分子第一个磷酸二酯键的位置。

(2)引发体(primosome)高度解链的模板DNA与多种蛋白质因子形成的引发前体促进引物酶结

合上来，共同形成引发体，引发体主要在DNA随从链上开始，它连续地与引物酶结合并解离，从而在不同部位引导引物酶催化合成RNA引物，在引物RNA的3′OH末端接下去合成DNA片段，这就是随从链不连续合

成的开始。

四、四、DNADNA复制参与的酶和蛋白质复制参与的酶和蛋白质（原核生物（原核生物DNADNA的复制特点）的复制特点）

1、DNA的聚合反应和DNA聚合酶：：①需要DNA模板，因此这

类酶又称为依赖DNA的DNA聚合酶(DDDP)。②需要RNA或DNA做为引物(primer)，即DNA聚合酶不能从头催化DNA的起

始。③催化dNTP加到引物的3′OH末端，因而DNA合成的方

向是5′→3′。图16-9。④三种DNA聚合酶都属于多功能

酶，它们在DNA复制和修复过程的不同阶段发挥作用。

DNA聚合酶催化的DNA链延长

DNA聚合

酶的作用

1957年，Arthur kornberg首次在大肠杆菌中发现DNA聚合酶Ⅰ，(DNA

polⅠ)后来又相继发现了DNA聚合酶Ⅱ和DNA聚合酶Ⅲ。(DNA polⅡ,DNA

polⅢ)实验证明大肠杆菌中DNA复制的主要过程靠DNa polⅢ起作用，而

DNA polⅠ和DNA polⅡ在DNA错配的校正和修复中起作用。

（二）（二）DNADNA复制的延长阶段以及参与的酶和蛋白质分子复制的延长阶段以及参与的酶和蛋白质分子

DNA聚合酶Ⅰ DNA聚合酶Ⅱ DNA聚合酶Ⅲ

分子量 109KD 20KD ＞600KD每个细胞中的分子数 400 17-100 10-205′→3′聚合活性 + + +37℃转化率

核苷酸数／酶分子·分钟 600 30 30,0005′→3′外切活性 + - -5′→3′外切活性 + + +切刻平移活性 + - -对dNTP亲和力 低 低 高

功能 修复 不详 复制

去除引物

填补空缺

大肠杆菌大肠杆菌DNADNA聚合酶特征聚合酶特征

• 拓扑异构酶(topoisomerase)是一类改变DNA拓扑性质的酶。

• 拓扑异构酶Ⅰ(TopoⅠ)的主要作用是将环状双链DNA的一条链切开

一个口，切口处链的末端绕螺旋轴按照松驰超螺旋的方向转动，然后

再将切口封起来。这就使DNA复制叉移动时所引起的前方DNA正超

螺旋得到缓解，利于DNA复制叉继续向前打开。拓扑异构酶Ⅰ除上

述作用外，对环状单链DNA还有打结或解结作用，对环状双链DNA的环连或解连以及使环状单链DNA形成环状双链DNA都有作用

• 作用特点是切开环状双链DNA的两条链，分子中的部分经切口穿过

而旋转，然后封闭切口，TopoⅡ还可使DNA分子从超螺旋状态转变

为松驰状态，此反应不需要ATP参与。DNA复制完成后，TopoⅡ在

ATP参与下，DNA分子从松驰状态转变为负超螺旋。此外，TopoⅡ催化的拓扑异构化反应还有环连或解环连，以及打结或解结。

(a)大肠杆菌拓扑酶Ⅰ催化的4种拓扑异

构化作用

(b)拓扑酶Ⅱ的作用

((三三))与超螺旋松驰有关的酶：与超螺旋松驰有关的酶：

连接酶(ligase)的作用是催化相邻的DNA片段以3′、5′－磷酸二酯键相连

接。连接反应中的能量来自ATP(或NAD＋)。连接酶先与ATP作用，以

共价键相连生成EAMP中间体。中间体即与一个DNA片段的5′－磷酸

相连接形成E-AMP-5′－DNA。然后再与另一个DNA片段的3′-OH末

端作用，E和AMP脱下，两个DNA片段以3′、5′磷酸二酯键相连接。

随从链的各个DNA片段就是这样连接成一条DNA长链

已有研究证明大肠杆菌染色体DNA具有复制终止位点，此处可以结合一种

特异的蛋白质分子叫做Tus，这个蛋白质可能是通过阻止解链酶

(Helicase)的解链活性而终止复制的。详细的机制还不完全清楚。

连接酶的催化反应

DNADNA复制的终止阶段复制的终止阶段

1.与原核生物不同，真核生物DNA复制有许多起始点，

例如酵母S.cerevisiae的17号染色体约有400个起始

点，因此，虽然真核生物DNA复制的速度(60核苷酸/

每秒钟)比原核生物DNA复制的速度(E.coli 1700核苷

酸/每秒钟)慢得多，但复制完全部基因组DNA也只要

几分钟的时间。

四、真核生物四、真核生物DNADNA复制的特点复制的特点

2. SV40病毒DNA主要依靠宿主细胞中的DNA复制体

系进行DNA的复制，这是了解真核生物DNA复制的体外模

型。在真核生物DNA复制叉处，需要两种不同的酶。DNA

聚合酶α(polα)和DNA聚合酶δ(polδ)。polα和引物酶紧

密结合，在DNA模板上先合成RNA引物，再由polα延长

DNA链，这种活性还要复制因子C参与。同时结合在引物模

板上的PCNA(增殖细胞核抗原Proliferating cell nuclear

antigen)此时释放了polα，然后由polδ结合到生长链3′末

端，并与PCNA结合，继续合成前导链。而随从链的合成靠

polα紧密与引物酶结合并在复制因子C帮助下，合成岗崎

片段(图)。

真核生物DNA复

制叉结构示意图

3. 由于真核生物染色体是线性DNA，它的两端叫做端

区，端区是由重复的寡核苷酸序列构成的。例如酵母的端区

重复序列是5′G(1?)T(3)3′。前面讲到所有生物DNA聚合

酶都只能催化DNA从5′→3′的方向合成，因此当复制叉

到达线性染色体末端时，前导链可以连续合成到头，而由于

随从链是以一种不连续的形式合成岗崎片段，所以不能完成

线性染色体末端的复制，如果这个问题不解决，真核生物在

细胞分裂时DNA复制将产生5′末端隐缩，使DNA缩短，近

十多年的研究表明，真核生物体内都存在一种特殊的反转录

酶叫做端粒酶，它是由蛋白质和RNA两部分组成的，它以

自身的RNA为模板，在随从链模板DNA的3′OH末端延长

DNA，再以这种延长的DNA为模板，继续合成随从链(图)。端粒酶催化端区TG链

的合成

α β γ δ ε

亚基数 4 4 4 2 5

分子量（KD) ＞250 36-38 160-300 170 256

细胞内定位 核 核 线粒体 核 核

5′→3′聚合活性 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋

3′→5′外切活性 － － － － －

功能 复制、引发 修复 复制 复制

真核生物DNA聚合酶

• 染色体的复制与细胞分裂同步但不直接偶联

• 复制子由复制起始物位点和复制起点组成：

• 复制起始物位点编码复制调节蛋白质，复制起点与调节蛋白作用启动复制

• 基因编码的调节蛋白通过与复制复合物的相互作用确定复制起始频率和复制方式。

2、质粒DNA的复制调控ColE1质粒DNA复制不依赖于本身编码的蛋白质，而完全依赖宿主DNA

聚合酶。

五、DNA复制的调控

11、大肠杆菌染色体、大肠杆菌染色体DNADNA的复制调控的复制调控

3. 真核细胞DNA的复制调控

• （1）细胞生活周期水平调控（限制点调控）：决定细胞停留在G1期还是进入S期。

• （2）染色体水平调控：决定不同染色体或

同一染色体不同部位的复制子按一定顺序在S期起始复制。

• （3）复制子水平调控：决定复制的起始与

否，并且是高度保守的。

DNA损伤、修复和突变

第四节 突变类型

第五节 回复突变(抑制突变)

第六节 突变剂和突变生成

概述：损伤因素及其类型

第一节 复制过程中的错配修复

第二节 损伤修复

第三节 限制和修饰

引起损伤的因素:

♦ 自发性损伤(复制中的损伤、碱基的自发性化学改变、

自发脱碱基、 细胞的代谢产物对DNA的损伤)

♦ 物理因素引起的损伤(电离辐射、紫外线)

♦ 化学因素引起的损伤（烷化剂、碱基类似物）

引起损伤的类型：

碱基脱落、碱基（或核苷）改变、错误碱基（碱基的取

代）、碱基的插入或缺失、链的断裂、链交联（链内、链

间）、嘧啶二聚体等等

广义的修复系统：

♦ DNA聚合酶的校对功能(复制的范畴)

♦ 尿嘧啶-N-糖苷酶修复系统

（复制时U的渗入、C脱氨氧化成U）

♦ 错配修复系统

♦ 损伤修复系统(光复活、重组修复、SOS修复等)

★ 限制修饰系统-----对付外源DNA的入侵

第一节 复制过程中的错配的修复

DNA mismatch

+ ----- A------ ------C---

DNApol (ξ= 10-8)经第二次校正ξ= 10-11

错配修复系统(MRSMismatch RepairSystem)

1、错配修复碱基来源：校正活性所漏校的碱基

使复制的保真性提高102～103倍

2、错配修复系统（Mismatch repair system）

DNA polymerase

Helicase SSB 外切核酸酶 (Ⅰ和Ⅶ) 连接酶

MCE (mismatch correct enzyme)

3 subunits mutH, L, S

dam geneDNA腺嘌呤甲基化酶(m6A甲基化酶)

扫描新生链中错配碱基

识别新生链中非 m6A 的GATC序列

酶切含错配碱基的新生DNA区段

（1）组成

★ DNA合成过程中的甲基化变化

DNA中的GATC(palindromic seq.)

为m6A甲基化敏感位点

平均每2kb左右有一GATC seq.

错配修复系统受甲基化的引导

甲基化程度的差异

a、MutH/MutS 扫描识别错配碱基和邻近的GATC序列切点－－甲基化GATC中G的5’侧

DNA helicase II, SSB, exonuclease I去除包括错配碱基的片段

DNA polymerase III 和DNA ligase 填充缺口

昂贵的代价用于保证DNA的准确性

（2） 修复过程

外切核酸酶Ⅰ切割切点的5’端（错配碱基在切点的5’端）----------------Ⅶ----------------3’端（--------------------------3’端）

3、 尿嘧啶-N-糖苷酶系统 ( ung system )

修复尿嘧啶的来源：dUTP的渗入

胞嘧啶的自发脱氨氧化

---TAGC------ATCG---

---TAGC------A CG---U

---TAGC---ung-ase

①

GCUA

U

---TAGC------A CG---

AP内切酶(Apurinase)

②---TAGC------ATCG---

DNApol

Ligase

③

第二节 DNA损伤的修复

一、嘧啶二聚体的产生

类型：TT二聚体 （ ）、CC二聚体（ ）、

CT二聚体（ ）（P131页）

TT CC

CT

相邻的胸腺嘧啶 胸腺嘧啶二聚体

C

C C

C

CC

CC

PR

1、光复活（photo reactivation ）

----TT--------AA----

----TT--------AA----

----TT--------AA----

----TT--------AA----

• 复制前、不容易出错

• 400 nm 蓝光、PR 酶(photo-reactivation enzyme) 光敏裂合酶（photolyase）

可见光激活

二、二聚体修复的机制

2. 切除修复

Exision—Repair

• 复制前进行

• 不易出错

•UvrA, B, C gene内切核酸酶

（Endonucleases）外切核酸酶

（Exonuclease）• DNA pol• Ligase

碱基切除修复

核苷酸切除修复

碱基切除修复核苷酸切除修复

AB

A B

C

A B C

A B

CAB 螺旋酶

PolІ 螺旋酶

连接酶

切

补

切

封

3. 重组修复（Recombinative—Repair）

后复制修复、E.coli的挽回系统

E.coli 存活%

U.V 计量

w.t. UvrA+ RecA+

uvr a-

rec a-

该系统存在的实验证据

★ Rec-A. gene 以某种方式参与DNA损伤修复

♦ Rec修复系统比切除修复系统更有效

目前知道

♫ Uvr系统负责切除二聚体

♫ Rec系统负责消除没有被切除的二聚体

可能造成的后果

TT TTAA AA

TT TT

TT TTAA AA

TT TT

变性

E.coli (Rec-A, uvr-a-)

D.S. DNA

S.S. DNA

U.V. 复制

提取 变性

复制过程越过二聚体而在相应新链上留下缺口

★二聚体后起始

★ 修复时期的证明

● 与Rec-A蛋白引起的重组(strand transfer)有关

● TT dimer未被修复，仅表现在后代群体中TT dimer

浓度的稀释

● 链的非准确转移，导致突变机率的增加

修复相关机制:

重组修复

(链转移修复)

• 复制后修复

• 容易出错

• RecA, DNApolymerae

• ligase

二聚体后起始

RecA

聚合酶、连接酶

重组修复后的损伤位点可

由其它机制进一步修复

4. 易错修复（SOS修复 SOS repair）

E.coli E.coli E.coli

λ 80 10 100mut. 100% 50% 10%

• 损坏的噬菌体 DNA 在E.coli A被修复

• E. coli 的SOS修复能被U.V.诱导 (A & B)

• SOS 修复过程有非常高的突变频率(易出错)

A B C

UV 复活或 W复活（Jean Weigh）

（1） 实验证据

（2） SOS 修复机制

SOS 修复－－无模板指导的DNA复制

大剂量的紫外线照射，大量的二聚体产生

SOS系统诱导，错误潜伏的复

制超越二聚体而进行

错误碱基

SOS 修复只是SOS反应的一部分

RecA在SOS反应

反应中起核心作用

RecA与LexA组成

调控环路

DNA 损伤

SOS

RecA受LexA的部分抑制

RecA-P; 三种功能

a、 DNA 重组活性

b、 与S.S. DNA结合活性

c、 少数蛋白的proteinase活性

当DNA正常复制时

（无复制受阻，无DNA损伤， 无TT dimer）

RecA-p不表现proteinase活性

当DNA复制受阻/ DNA damaged

细胞内原少量表达的RecA-p 与S.S, DNA结合

激活RecA-p的proteinase活性

修复损伤LexA-p降解

RecA-p高效表达 SOS open

上节课内容回顾：

1、复制过程中的错配修复

错配修复系统

尿嘧啶－N－糖苷酶修复系统

2、DNA的损伤的修复

嘧啶二聚体

光复活修复

切除修复

重组修复

易错修复（SOS修复）

当DNA复制度过难关后

SOS repair 是一种错误倾向性极强的修复机制

是进化中形成的“ 竭尽全力，治病救人” 的措施

（正常状态下，SOS是关闭的）

RecA-p很快消失 LexA gene on SOS off

第3节 突变类型

● 染色体突变（Chromosome mutation ）

chromosome numberchromosome structure

● 核苷酸突变（ dNt point mutation ）

突变(mutation)：可以通过复制而遗传的DNA结构

的任何永久性改变

遗传状态

突变体(mutant)：携带突变的生物个体或群体或株系

突变基因(mutantgene): 存在突变位点的基因

野生型基因（wild type gene）：

表示方法

表现型 Arg+ Arg-

基因型 arg+ arg-

野生型 正性状

1、从突变作用来源上定义

自发突变－－自然界的突变剂或偶然复制错误

诱变 －－人为使用突变剂

★ 碱基异构式引起DNA复制过程的错误 -----自发突变

碱基异构式

A(amino 氨基) A(imino 亚氨基) C(a) C(i)G(keto 酮式) G(enol 烯醇式) G(k) G(e,i)

T(keto) T(enol-2’) or T(enol-4’)

碱基异构式引起DNA复制的错配

G(k) C(a)正确配对 A(a) T(k)

错误配对 G(k) T(e)A(a) C(i)

A(i, anti) A(a, syn) A(i, anti) G(k, syn)

G(e,i, anti) G(k, syn) G(e,i, anti) A(a, syn)

A(i) C(a) G(e) T(k)

A(a)

T(k)

A(a, anti)

T(k, anti)

C(i)

C(a, anti)

A(a)

A(i, anti)

碱基异构式引起DNA的错配突变

C(i)C(a)

G(k, syn)G(k, syn)G(k, anti)

G(k)

2、从序列改变多少上定义

单点突变(point mutation) (点突变)

多点突变(multiple mutation)

点突变－－－碱基替代、碱基插入、碱基缺失

● 碱基替代（ conversion ）

转换(transition) Py Py Pu Pu

颠换(transvertion) Py Pu

● 核苷酸缺失或插入 （dNt deletion or insertion ）

= 3x dNt ±n x Amino acid

= 3x dNt 移框（Framshift ）

移框突变（frameshift mutation）:一个或两个碱基的插入

或缺失，或扁平碱性染料分子移码突变

3、从对阅读框的影响上定义

Examples of deletion mutations

4、从对遗传信息的改变上定义（点突变）

同义突变：没有改变产物氨基酸序列的密码子

错义突变：碱基序列的改变引起了氨基酸序列的改变

（中性突变、渗漏突变）

无义突变：碱基的改变使代表某种氨基酸的密码子变

为蛋白合成的终止密码子

● 碱基替代对遗传信息的改变

---同义突变 GAA → GAG Glu

---错义突变 GAA →AAA Lys

---无义突变 GAA → TAA(stop)

无义突变类型

UAA （Oc） 赭石型（Ocher）

UAG（Am） 琥珀型（amber）

UGA（Opal） 乳石型（Opal）

5、从突变的表达类型 上定义

---非条件型突变:

---条件型突变: 突变的表现 = 突变基因型 + 诱导条件

（光，温敏感不育）

6、从突变效应上定义

正向突变

回复突变:使突变体所失去的野生型性状得到恢复的第二次突变

真正的原位回复突变很少

大部分为第二点的回复突变－－－－抑制突变

7、突变位点存在于负责基因调控的序列中

* 在启动子区域时:

启动子上升突变: 增强启动子对转录的发动作用的突变

启动子下降突变:

* 在操作子上或调节基因上

组成型突变: 产生组成型表达方式的操作子突变或调

节基因的突变

突变的操作子不能被阻遏蛋白所识别

调节基因突变不能产生有活性的阻遏蛋白

两者之一都使结构基因失去了负向控制

第4节 突变剂和突变生成

1、碱基类似物（Base analog）

2-氨基嘌呤

2-Amino purine

5-溴尿嘧啶

5-Bromine Uracil

O

O

BrNH2

5-BrU

: G

: A

烯醇式enol

BrOH

H

O

Br

酮式Keto

H

O

AGCTTCCTATCGAAGGAT

AGCTBCCTATCGAAGGAT

酮式5-BrU的渗入

AGCTBCCTATCGAAGGAT

AGCTCCCTATCGAGGGAT

第二轮复制

A·T→G·C 转变

AGCTBCCTATCGAGGGAT

AGCTTCCTATCGAAGGAT

第一轮复制 酮式到稀醇式的转变

烯醇式渗入为 G·C→A·T 转变

In DNA

BrU(k) > BrU(e)(正常形式) (异构体)

BrU(k) BrU(e)难

易

A G G AT C C T>

碱基类似物产生的均为错义突变

2、 碱基的化学修饰导致突变

又称化学突变剂：

亚硝酸（nitrous acid HNO2）

羟氨（hydroxylamine HA）

甲磺酸乙酯（ethyl mathanesulfonate EMS）

N-甲基-N’-硝基-N-亚硝基胍

（N-mathyl-N’-nitro-N-nitrosoguanidion NNG）

产生－－－错义突变

NH2OH (Hydroxylamine HA 羟胺)

C(i) A(a)

HNH

H

O

C(a)

HA

HNHH

H O

H

NH

HO

HNH

H O

H

NH

HO

N H

3、嵌合剂的质突变作用

吖啶橙 (Acridine Orange AO) 扁平染料分子

溴化乙锭 (Ethidium Bromide EB )

-ATTTTTCG --TAAAAAGC-

-A TTTCG --T AAAGC-

TAO T

-AT EB TTTTCG--TA

分子插入

AO

EB

-ATTTCG --TAAAGC-

-ATX’TTTTCG--TAX AAAAGC-X AAAAGC-

结果产生－－－移框突变

5、 增变基因（mutator gene ）

w.t. 维持遗传的稳定性

mut. 随机引起其他各类基因的突变

一种误称

4、 转座成分的致突变作用

生物体内有些基因与整个基因组的突变频率直接相关

其突变时，整个基因组的突变频率明显上升

增变基因类别：

a、DNA polymerase 相关基因

3’ → 5’ 校正功能突变

b、错配修复系统的基因

MCE (mismatch correction enzyme)

c、DNA 损伤修复系统基因

错配，损伤修复功能丧失 突变率升高

6、紫外线的致突变作用

---嘧啶二聚体 (TT dimer )∧

U.V.…C T T A…

脱氨氧化

U.V.

C U A(a)

U.V.

U.V. H2O H+ + OH-

C(a) C(i) A(a)

脱嘌呤

造成的突变：碱基替代、缺失、重复、移框

7、 突变热点（Mutation Hotpoint）

基因自发突变的频率是一定的

DNA分子上某些位点的突变频率大大平均数，

这样的位点称为－－－－

a) 重复序列 （repetitive seq. ）/ palindromic seq.

e.g. Lac. Operon ---CTGGCTGGCTGG---

b) m5C

c) 不同诱变剂作用位点不同，转座子插入位点不同

U

C m5C T脱氨氧化

复制时，模板与新生链间滑动错配 缺失，插入突变

复制期发生在新生链上不发生突变，

若发生在模板链上很快突变

非复制期突变频率50％

DNA 的损伤修复与突变

Mutagen (诱变剂）

完全修复

DNA 损伤

碱基的化学反应

损伤的修复

突变

突变生成

• 名词解释

移框突变 无义突变 错义突变 增变基因 组成型表达

自己DNA 组成型突变 突变热点

• 问答题：

1、常见的无义、错义、移框突变的抑制突变的机制如何。

2、m5C突变热点形成的原因。

3、造成基因组成型表达的突变如何发生。

4、错配修复酶的主要功能及作用机制。

5、尿嘧啶－N－糖苷酶系统修复碱基来源及修复机制。

6、核苷酸切除修复和重组修复的修复时期及简单过程。

7、何为RecA蛋白，其在SOS系统中有何用途？

8、举例说明增变基因增加突变的原因？

本章结束!!

1、简述由DNA到染色体的结构变化

2、论述DNA二级结构的主要内容

3、DNA复制起始有哪些特点?4、原核生物与真核生物中的DNA聚合酶有哪些种类，它们各自的功能是什么?

5.DNA复制时前导链与随从链的合成有哪些不同?6. DNA聚合酶有哪些特点？其作用是如何发生

的？

7.什么是反转录，有什么生物学意义?主要概念：核小体、 Z－DNA、 DNA聚合酶Ⅲ、拓扑异构酶、岗崎片段、错配修复、 DNA的转

座

复习与作业复习与作业