DNA的生物合成
DNA复制的机制
DNA复制的有关物质
DNA的复制过程
反转录作用
DNA的损伤与修复
第一节 DNA的复制
一、DNA复制的机制
(一). DNA半保留复制
1. DNA半保留复制的概念
当细胞分裂时，DNA的双链拆开并分为两股单链，各自作为模板，用以合成新的互补链。在两个子细胞中新合成的DNA双链，都和母细胞的DNA双链的碱基序列完成一样，其中一条链来自亲代，另一条链为新合成的。遗传信息就这样高度准确地从亲代传给子代。这种复制方式称为半保留复制
DNA半保留复制的实验依据：
1958年 Meselson & Stahl
E.coli 放射性同位素（15N）标记
CsCl密度梯度离心
3. 半保留复制的证明
2. 半保留复制的时期
(二). DNA半不连续复制
子代DNA中的一条链的合成是连续的，另一条链的合成是不连续的，DNA的这种复制方式称为半不连续复制。
1968年，冈崎的著名实验观察到DNA复制过程中，有一些不连续片段，称为冈崎片段。
原核生物中冈崎片段约含1000—2000个核苷酸，真核生物约为400个核苷酸，
新DNA的一条链是按5，—3，方向（与复制叉移动的方向一致）连续合成，称为“前导链”；另一条链的合成是不连续的，即先按5，—3，方向（与复制叉移动的方向相反）合成冈崎片段，再连接成一条完整的链，称为滞后链。
二. DNA复制的有关物质
(一).DNA聚合酶(DDDP)
1. DNA聚合酶的性质:
模板: ssDNA
引物: RNA
底物： 四种dNTP
辅助因子：Mg2＋
合成方向：5’-3’方向延伸
2. 原核生物DNA聚合酶
3.真核生物DNA聚合酶
(二).DNA连接酶
动物细胞和某些噬菌体连接酶--T4连接酶（以ATP为能量）
大肠杆菌DNA连接酶（以NAD+为能量）
3.作用方式
该酶可将DNA中单链缺口上相邻的两个核苷酸，
以磷酸二酯键连接起来。
需要能量
需要镁离子
1. DNA连接酶的种类
2. DNA连接酶的特性
(三).解螺旋酶
(四).拓扑异构酶
拓朴异构酶Ⅰ(Topo Ⅰ )：其作用是使双链DNA中的一股切断，使链的末端沿着螺旋轴按双螺旋反方向旋转，超螺旋消除后再将切口封闭。 DNA变为松弛态。催化反应不需ATP。
拓朴异构酶Ⅱ(Topo Ⅱ )：又称DNA旋转酶。
作用方式：
（1）是在水解ATP的同时能迅速使DAN双链断开又接上，而使松弛态的DNA转变为超螺旋状态，引入负超螺旋。
（2）在没有ATP时，它又可使负超螺旋DNA变为松弛态。
解链酶（或称解螺旋酶）: 此酶通过水解ATP以获得能量去松开双股DNA，每解开一对核苷酸需水解2分子ATP。
复制时大部他DNA解链酶可以沿着滞后链模板的5，—3，方向随着复制叉的前进而移动，以解开双链。
(五).单链结合蛋白
(六).引物酶与RNA引物（primase 与primer）
单链DNA结合蛋白（SSB） 它与单链DNA结合。
防止两条单链DNA重新形成双螺旋。
保护单链DNA不被核酸酶水解。
RNA引物和引物酶: 多数情况下是以RNA片段为引物，由引物酶催化合成。引物酶是一种不同于催化转录过程的RNA聚合酶。引物酶通常需要和几种蛋白质因子结合形成引发体才能发挥作用。例如大肠杆菌的dna蛋白能协助引物酶识别起始位点，并与起始部位结合。
RNA引物的长度是不同的，在动物细胞中引物长度约10个核苷酸，第一个核苷酸常用ATP。细菌的引物为50—100个核苷酸，但也有仅2—4个核苷酸的。 真核生物引物为10个核苷酸左右。
三、DNA的复制过程
高级结构的解除
1.4 DNA聚合酶的引物(primer)
DNA复制为什么需要引物？
DNA聚合酶只能催化dNTP到已有核酸链的游离3’-OH上，而不能从游离核苷酸起始DNA链的合成。
DNA聚合酶需要引物来提供3’-OH末端，然后在其上加入核苷酸来延伸DNA链。
复制叉（Replication fork）：染色体中参与复制的活性区域，即复制正在发生的位点。
复制眼（replication eye）：电子显微镜下观察正在复制的DNA，复制的区域形如一只眼睛。
2 DNA连接酶（ DNA Ligase ）
1967年，世界上数个实验室几乎同时发现该酶。
2.1 基本性质：能将两段DNA拼接起来的酶，催化DNA相邻的5‘磷酸基团和3’羟基末断之间形成磷酸二酯键，封闭DNA单链缺口。
基因表达调控
基因表达：基因通过转录和翻译，产生蛋白质产物和直接转录RNA参与生物功能的过程。
基因调控：涉及基因的启动关闭，活性的增加或减弱。发生在转录阶段，转录后加工阶段和翻译阶段。
负调控：阻遏蛋白结合在受控基因上时不表达，不结合时就表达的形式。
正调控：基因表达的活化物结合在受控基因上时，激活基因表达，不结合时就不表达的形式。
有关名词解释：
一 、原核生物基因表达的调控
大肠杆菌一般是将葡萄糖作为碳源，当其生活的环境中有乳糖而没有葡萄糖时，大肠杆菌产生的适应性变化是迅速合成大量的分解乳糖的酶----半乳糖苷酶，将乳糖分解成葡萄糖和半乳糖加以利用。

当大肠杆菌生活的环境中没有乳糖后，半乳糖苷酶的合成就停止。说明半乳糖苷酶的合成与周围环境中有无乳糖有密切关系。乳糖似乎对半乳糖苷酶基因的表达起到诱导作用。半乳糖苷酶的合成受半乳糖苷酶基因控制。
(一) 大肠杆菌的乳糖操纵子模型
1）结构基因：编码蛋白质或RNA的基因
直接编码乳糖分解代谢所需酶类的基因。
lacZ基因：编码β-半乳糖苷酶。
lacY基因、lacA基因：分别编码β-半乳糖苷透性酶和β-半乳糖苷乙酰基转移酶。
一 、原核生物基因表达的调控
1.与乳糖代谢有关的核苷酸序列及其作用
2）操纵基因(O)：是DNA上仅为26bp的一小段序列，不编码蛋白质，它是调节基因所编码的阻遏蛋白的结合部位。操纵基因决定了RNA聚合酶是否能够与DNA序列上的启动子接触从而沿着DNA分子移动，启动RNA的转录。对结构基因起着“开关”的作用，直接控制结构基因的转录。
一 、原核生物基因表达的调控
1.与乳糖代谢有关的核苷酸序列及其作用
3）启动子(P)：有与RNA聚合酶结合的位点，可识别转录起始点。RNA聚合酶在这一位点与DNA接触，并开始进行转录。
一 、原核生物基因表达的调控
1.与乳糖代谢有关的核苷酸序列及其作用
4）调节基因(R)： 能产生阻抑物(阻遏蛋白)，通过阻抑物与操纵基因的结合与否来控制操纵基因的关闭和开启。
一 、原核生物基因表达的调控
1.与乳糖代谢有关的核苷酸序列及其作用
当环境中没有乳糖时：
信使RNA
阻遏物(阻遏蛋白)
阻遏蛋白与操纵基因结合，同时阻挡了RNA聚合酶与启动子的结合，从而使结构基因转录和翻译受阻，不能合成有关的酶。
一 、原核生物基因表达的调控
当环境中有乳糖时：
+
阻遏物
(阻遏蛋白)
乳糖
乳糖与阻遏蛋白结合，引起其构象变化，使阻抑物失去与操纵基因结合的能力，RNA聚合酶便可与启动子结合，从而使结构基因转录和翻译正常进行。
一 、原核生物基因表达的调控
当环境中有乳糖时：
半乳糖苷酶
酶
酶
转录
翻译
分解乳糖
一 、原核生物基因表达的调控
一个操纵基因控制下的一组相邻的结构基因以及启动子和调节基因，统称为操纵子。
操纵子
操纵子是原核生物的基因在转录水平上进行调控的一个功能单位。
一 、原核生物基因表达的调控
从大肠杆菌乳糖调控过程可以看出
大肠杆菌细胞只有在环境中有乳糖存在时，才能产生相关的酶。所以，其乳糖代谢调控过程是一个自我调控过程。
在这一过程的作用下，生物体才不会浪费细胞中的物质和能量，并能不断适应变化的外界环境。
一 、原核生物基因表达的调控
(二) 色氨酸操纵子1.阻遏物对色氨酸操纵子的负调控 调控基因 结构基因 催化分支酸转变为色氨酸 的酶
trpR
trp
一 、原核生物基因表达的调控
二、真核生物基因表达的调控
真核生物是由多细胞组成的，多细胞生物的细胞分化，是选择性基因表达的结果。不同的细胞有特异的基因表达方式。基因的表达受到开启或关闭的调控，随细胞内外环境条件的改变和时间程序而在不同的表达水平上进行着精确而有序的调节。
在真核生物中基因表达的调节其特点是（1）多层次，（2）无操纵子和衰减子(在色氨酸操纵子中存在一种转录水平上调节基因表达的衰减作用，用以终止和减弱转录。这种调节作用称为衰减子)（3）个体发育复杂，（4）受环境影响较小
在真核生物中，DNA的三级超螺旋结构与蛋白质结合，构成染色质的基本单位---核小体。其核心由组蛋白八聚体(由H2A、H2B、H3、H4各两分子组成)和盘绕其上的一段DNA双链组成，连接区
含有组蛋白H1和一小段DNA
双链。核小体彼此连成串珠
状染色质细丝，经高度螺旋
化形成染色质纤维，进一步
卷曲、折叠成染色单体。这
样，DNA的长度被压缩近万
倍。核小体可能通过阻止转
录酶接近DNA分子的方式起
到了调节基因表达的作用。
二、真核生物基因表达的调控
1.DNA的包装影响基因的表达
多线染色体来源于核内有丝分裂，即核内DNA多次复制产生子染色体并行排列，且体细胞内同源染色体配对，紧密地结合在一起，从而阻止了染色质纤维的进一步聚缩，形成体积很大的多线染色体。
光镜下观察多线染色体，可见一系列交替分布的带和间带，带区的染色质包装程度比间带染色质包装程度高得多，所以呈带色较深间带较浅的染色。多线染色体上的数目、形态、大小及分布位置都很稳定。
果蝇幼虫唾液腺多线染色体
二、真核生物基因表达的调控
1.DNA的包装影响基因的表达
个体发育的某个阶段，多线染色体的某些区段变得疏松膨大而形成胀泡。最大的胀泡叫Balbiani环。胀泡是基因活跃转录的形态学标志。控制果蝇多线染色体基因转录的主要因素之一就是蜕皮激素，这种激素水平在幼虫发育期间周期性变化，从而诱导那些编码每次蜕皮和蛹化所需的蛋白质转录。
多线染色体的带与胀泡,(a) 带与间带;(b)胀泡
二、真核生物基因表达的调控
1.DNA的包装影响基因的表达
2.异染色质化与基因的表达失活
在染色质中可分为常染色质和异染色质，它们在细胞中凝聚的时期不同。异染色质是包装成20-30nm，不具有转录活性的染色质。它又分为组成性异染色质和兼性异染色质。前者是指在各种细胞中，在整个细胞周期内都处于凝聚状态的染色质，如着丝粒，端粒等。后者指在某些特定的细胞中，或在一定的发育时期和生理条件下凝聚，由常染色质变成异染色质，这本身也是真核生物的一种表达调控的途经。
二、真核生物基因表达的调控
在正常女性的细胞核核膜附近有一团高度凝聚的染色质小体与性别及X染色体的数目有关，称为性染色质体又名巴氏小体，在正常男性的细胞核中都没有。正常的女性个体中有XX染色体，而它们的体细胞中有一个巴氏小体。在正常男
性个体中有XY染色体，
没有巴氏小体。在带有
多条X染色体的个体，
只有一条X染色体是有
活性的。巴氏小体的数
目为X染色体的条数减1。
图18-25 巴氏小体 (a) 正常女人的细胞，在核膜附近存在巴氏小体(箭头所指)；(b ) 正常男人的细胞，在核膜附近无巴氏小体(转引自Russell,1992)
二、真核生物基因表达的调控
2.异染色质化与基因的表达失活
1961年提出了莱昂假说，其主要论点是：①巴尔小体是一个失活的X染色体，失活的过程就称为莱昂化；②在哺乳动物中，雌雄个体细胞中的两个X染色体中有一个X染色体在受精后的第16天（受精卵增殖到5000-6000，植入子宫壁时）失活；③两条X染色体中哪一条失活是随机的；④X染色体失活后，在细胞继续分裂形成的克隆中，此条染色体都是失活的；⑤生殖细胞形成时失活的X染色体可得到恢复。
二、真核生物基因表达的调控
2.异染色质化与基因的表达失活
实例：三色猫（又叫做玳瑁猫）的雌性个体腹部的毛是白色的，背部和头部的皮毛由桔黄色和黑色斑组成。这种雌猫是一个X-连锁基因杂合体，X-连锁的b基因控制橙色毛皮，其等位
基因B是控制黑色的毛皮。
基因是Xb染色体若失活，
XB表达，产生黑色毛斑，
若基因是XB染色体失活，
Xb表达，则产生橙黄色毛
斑。
二、真核生物基因表达的调控
2.异染色质化与基因的表达失活
真核生物基因表达调控过程与原核生物的共同点：在真核生物结构基因的侧翼序列上，同样存在许多不同的调控序列，并能通过特异性蛋白与某些调控序列的结合与否，来调控基因的转录。
二、真核生物基因表达的调控
真核细胞和原核细胞的基因结构不同点：原核细胞基因的编码区是连续的，真核细胞基因的编码区是间隔的，不连续的。
3.真核细胞和原核细胞的基因结构
什么叫侧翼序列？
每个基因在第一个和最后一个外显子的外侧各有一段非编码区，称为侧翼序列。侧翼序列上有一系列的调控序列。
侧翼序列
二、真核生物基因表达的调控
真核生物基因表达调控过程与原核生物的不同之处：
①真核生物中编码蛋白质的基因通常是间断的、不连续的，由于转录时内含子和外显子是一起转录的，因而转录产生的信使RNA必须经加工，将内含子转录部分剪切掉，将外显子转录部分拼接起来，才能成为成熟的RNA。

二、真核生物基因表达的调控
信使RNA的加工：
成熟的信使RNA
转录
加工
初级转录物
剪切内含子转录部分
拼接外显子转录部分
真核生物基因转录后的剪切、拼接和转移等过程，都需要有调控序列的调控，这是真核生物所特有的。
二、真核生物基因表达的调控
真核生物基因表达调控过程与原核生物的不同之处：
② 真核生物有细胞核，核膜将核质与细胞质隔开，因此，转录在细胞核中进行，翻译在细胞质中进行。可见其转录和翻译具有时间和空间上的分隔。
③ 真核生物大多是多细胞生物，个体发育过程中要发生细胞分化。分化是不同的基因特异性表达的结果。细胞中关闭或开启某些基因，都是在严格调控作用下进行的。基因的这种特异性表达的调控机制也是真核生物所特有的。
二、真核生物基因表达的调控
基因是一段有功能的DNA序列
DNA双螺旋模型 1953年 Watson和Crick提出
遗传中心法则 1957年 Crick提出
顺反互补试验 1955年 Benzer提出：顺反子
三联遗传密码的破译 Nirenberg等 1961-67年：
70年代：可移动基因的证实、隔裂基因和重叠 基因的发现等。
7 近代基因的概念：基因是一段有功能的DNA序列，基因是遗传的功能单位，DNA分子中不同排列顺序的DNA片段构成特定的功能单位；
★ 可转录、可翻译的（结构基因：能够编码多肽链的基因 )
★ 可转录但不翻译( tDNA, rDNA )
★ 不转录、不翻译 (调控基因：调控邻近的结构基因的表达，如：启动基因，操纵基因)
基因的类型
不是所有的基因都能为蛋白质编码
1、 割裂基因（splitting gene）
不连续基因 断裂基因
发现：1977 [美]Sharp & Roberts 同时发现了断裂基因
通过成熟mRNA（或cDNA） 与编码基因的DNA杂交试验而发现。
鸡卵清蛋白基因DNA与其mRNA杂交图
割裂基因：基因的编码序列在DNA上不是连续的，而是被不编码的序列隔开。
外显子Exon ：基因中编码的序列，与mRNA的序列相对应。
内含子Intron ：基因中不编码的序列。
所以－－真核生物基因又称为
Splitting gene
Interrupted gene
由于真核生物的绝大多数结构基因都含有内含子
剪接: 前体RNA中由内含子转录下来的序列去除，并把由外显子转录的RNA序列连接起来的过程。
剪接
割裂基因的分布
b) 原核生物中：
SV40 大T 抗原gene
小t 抗原 gene
T4 噬菌体的胸苷合成酶 gene
1017 bp intron
Splitting gene 并非真核生物所特有
c)   并非真核生物所有的结构基因均为splitting gene
割裂基因的性质：
1）外显子在基因中的排列顺序和它在成熟mRNA产物中的排列顺序是相同的;
2）某种割裂基因在所有组织中都有相同的内含子成分;
3）核基因的内含子的可读框通常含无义密码子，没有编码功能;
4）通常内含子上发生的突变不能影响蛋白质的结构，其突变对生物体没有影响；但也有例外。
2、重叠基因
1 重叠基因的概念
重叠基因：是指两个或两个以上的基因共有
一段DNA序列。
2 重叠基因的发现：1978年，Sanger，Feir
X174DNA全长：5386核苷酸
编码的9种蛋白全长：2000个氨基酸；
3X2000 = 6000核苷酸
噬菌体G4、MS2和SV40中都发现了重叠基因
原核生物的重叠基因
3 基因重叠的方式
1） 大基因内包含小基因：
如：B基因包含在A基因内，E基因完全包含在D基因内。
2） 前后两基因首尾重叠：
例1： 如：基因D 终止
X174DNA序列：5’—T—A—A—T—G—3’ 重叠一个碱基
基因J 起始
例2： 如：基因A 终止
X174DNA序列 5’—A—T—G—A—3’ 重叠4个碱基
基因C 起始
根据密码子的起始位置，一个DNA顺序可能有3种阅读框
例如，序列ATTCGATCGCAA
CAA
A
ATT
CGA
TCG
A
TTC
GAT
CGC
AA
AT
TCG
ATC
GCA
（1）
（3）
（2）
但只有一种具有编码的作用，称为开放阅读框。
开放阅读框：基因序列的一部分，包含一段可以编码蛋白的碱基序列，不能被终止子打断。
(2013·高考山东卷) 某二倍体植物宽叶(M)对窄叶(m)为显性，高茎(H)对矮茎(h)为显性，红花(R)对白花(r)为显性。基因M、m与基因R、r在2号染色体上，基因H、h在4号染色体上。
(1)基因M、R编码各自蛋白质前3个氨基酸的DNA序列如右图，起始密码子均为AUG。若基因M的b链中箭头所指碱基C突变为A，其对应的密码子将由________变为________。正常情况下，基因R在细胞中最多有________个，其转录时的模板位于________(填“a”或“b”)链中。
GUC
UUC
4
a

果蝇蛹上皮蛋白质基因位于另一个基因的内含子之中
人I型神经纤维瘤(NF1)基因的第一个内含子中有三个编码蛋白质的基因， 其转录方向与NF1的相反。
线虫基因组中每个基因平均有5个内含子，有的内含子中包含tRNA基因，其转录方向不一定与包含它的基因的转录方向一致。
可见，两个重叠基因的转录是各自独立、互不依赖。
4、真核生物的重叠基因
（1）取决于它所包含的内含子的长度
例如：31Kb的二氢叶酸还原酶基因含6个外显子，mRNA长度为2Kb，内含子长29Kb，内含子比外显子大很多。
在进化相关的相似组织的基因，其外显子基本一致，内含子的位置也是保守的，只是长度有变化。
如小鼠的a-珠蛋白基因长度850bp，b-珠蛋白1382bp，两个的mRNA却大小差不多。
基因的大小
（2）取决于所包含的内含子的数目
不同生物的外显子数目随着进化增加，基因平均长度也在增加。
基因组（genome）：指一个物种单倍体的染色体所携带的一整套基因。
2 基因组：
例：人类与E.coli编码基因数目的比较
E.coli. 4.2 X 106bp 编码约3000种基因
人类 3.3 X 109 bp 大肠杆菌的700多倍
有上百万个基因？？？
根据不同细胞中的 mRNA数目估算表达基因
人类编码基因约为3-4 万个
约为大肠杆菌的30倍，那么90％以上的DNA功能何在？？
果蝇基因组的基因
与预期的编码蛋白质的基因的数量相比，基因组的DNA含量过多
真核生物与原核生物基因组的比较：
1）真核生物基因分布在多个染色体上，而原核生物只一个染色体。
2）真核生物在基因组转录后的绝大部分前体RNA必须经过剪接过程才能形成成熟的mRNA，而原核生物的基因几乎不需要转录后加工。
3）真核生物细胞中DNA与组蛋白和大量非组蛋白结合，并有核膜将其与细胞质隔离，结果真核细胞的转录和翻译在时间上和空间上都是分离的，而原核细胞的基因转录和翻译是同步的。
4）真核生物的基因是不连续的，中间存在不被翻译的内含子序列，而原核生物几乎每一个基因都是完整的连续的DNA片段。
3 基因组大小和C值
C值 (C Value)：在每一种生物中其单倍体基因组的DNA总量是特异的。
DNA的长度是根据碱基对的多少推算出来的。
C值是每种生物的一个特征，不同生物之间差别很大
低等真核生物中与形态学复杂程度相关，但高等真核生物中变化很大
生物体进化程度高低与C值不成明显线性相关
亲缘关系相近的生物C值相差较大。
高等生物的C值不一定就意味着它的C值高于比它低等的生物。
C值矛盾/ C值悖论：C值和生物结构或组成的复杂性不一致的现象。
C值变化范围宽意味着在某些生物中有DNA是不编码的。
4 基因组的基因数目
真核生物基因组的重复序列
根据复性动力学研究将真核生物DNA序列归类：
单拷贝序列
轻度重复序列
中度重复序列
高度重复序列
1）单拷贝序列(single copy sequences)
又称非重复序列：
一个基因组中只有一个拷贝。
慢复性速度
单一序列的复性曲线常只有一个拐点，而重复序列常有多个拐点。
结构基因 (蛋白质基因)大多是单拷贝序列。
2）轻度重复序列(light repetitive sequences)
在基因组中重复数2-10的重复顺序，
为慢复性速度。
少数在基因组中成串排列在一个区域，大多数与单拷贝基因间隔排列。
多为编码功能的序列
3）中度重复序列(moderate repetitive sequences)
基因组中重复数十至数万（<105）次的重复顺序，
复性速度快于单拷贝顺序，慢于高度重复顺序。
多与单拷贝基因间隔排列。
多为非编码序列，如Alu序列
也有编码基因产物的，如rDNA、tDNA、组蛋白基因家族, 一般往往以基因家族的形式组织。
4）高度重复序列(highly repetitive sequences)
在基因组中重复频率高，可达百万(106)以上，
复性速度很快。
序列一般较短，长10-300bp，
如真核生物的卫星DNA。
卫星 DNA序列
螃蟹
2
ATATAT…..
果蝇
5
ATAATATAAT…..
老鼠
9
GAAAAATGAGAAAAATGA
重复碱基数 序列
，内含子、启动子
人类基因组计划(human genome project, HGP)是由美国科学家于1985年率先提出，于1990年正式启动的。美国、英国、法国、德国、日本和我国科学