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生化教研室生化教研室 肖建英肖建英第四章第四章DNA的复制、突变、损伤与修复的复制、突变、损伤与修复第一节第一节DNA的复制的复制第二节基因突变第二节基因突变第三节第三节DNA的修复系统的修复系统主要学习内容主要学习内容复制复制(replication)是指遗传物质的传代，以母链是指遗传物质的传代，以母链DNA为模板合成子链为模板合成子链DNA的过程。的过程。复制复制亲代亲代DNA子代子代DNA第一节第一节 DNA的复制的复制 l l半保留复制半保留复制(semi-conservative replication)复制的高保真性复制的高保真性复制的高保真性复制的高保真性(high fidelity)(high fidelity)l l双向复制双向复制(bidirectional replication)l l半不连续复制半不连续复制(semi-discontinuous replication)一、一、DNA复制的一般特征复制的一般特征u概念：概念：DNADNA生生生生物物物物合合合合成成成成时时时时，母母母母链链链链DNADNA解解解解开开开开为为为为两两两两股股股股单单单单链链链链，各各各各自自自自作作作作为为为为模模模模板板板板(template)(template)按按按按碱碱碱碱基基基基配配配配对对对对规规规规律律律律，合合合合成成成成与与与与模模模模板板板板互互互互补补补补的的的的子子子子链链链链。子子子子代代代代细细细细胞胞胞胞的的的的DNADNA，一一一一股股股股单单单单链链链链从从从从亲亲亲亲代代代代完完完完整整整整地地地地接接接接受受受受过过过过来来来来，另另另另一一一一股股股股单单单单链链链链则则则则完完完完全全全全从从从从新新新新合合合合成成成成。两两两两个个个个子子子子细细细细胞胞胞胞的的的的DNADNA都都都都和和和和亲亲亲亲代代代代DNADNA碱碱碱碱基基基基序序序序列一致。这种复制方式称为列一致。这种复制方式称为列一致。这种复制方式称为列一致。这种复制方式称为半保留复制。半保留复制。半保留复制。半保留复制。1 1、半保留复制、半保留复制(semi-conservative replication)（一）半保留复制、复制子、复制叉、双向复制（一）半保留复制、复制子、复制叉、双向复制按按半半保保留留复复制制方方式式，子子代代DNA与与亲亲代代DNA A的的碱碱基基序序列列一一致致，即即子子代代保保留留了了亲亲代代的的全全部部遗遗传信息，体现了遗传的传信息，体现了遗传的保守性保守性。u 半保留复制的意义半保留复制的意义遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但但不是绝对的不是绝对的。密度梯度实验密度梯度实验 实验结果支持实验结果支持半保留复制半保留复制的设想。的设想。含重氮含重氮-DNA的细菌的细菌培养于普培养于普通培养液通培养液 第一代第一代继续培养于继续培养于普通培养液普通培养液 第二代第二代梯度离心结果梯度离心结果AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+母链母链DNA 复制过程中形成复制过程中形成的复制叉的复制叉子代子代DNA 复制的基本规律复制的基本规律2、复制起点、复制起点（origin of replication，ori 或或 O）l DNA复制时总是从一个特定的位置开始，这一复制时总是从一个特定的位置开始，这一位置称为位置称为复制起点复制起点。多数是。多数是富含富含A T配对配对的区域。的区域。l 富含富含A T配对的区域经常处于开发与闭合的动配对的区域经常处于开发与闭合的动态平衡之中，称为态平衡之中，称为DNA的呼吸作用的呼吸作用。3、复制子（、复制子（replicon）两个相邻起始点之间的两个相邻起始点之间的DNA片段，称为一个复制子。片段，称为一个复制子。复制子是独立完成复制的功能单位。复制子是独立完成复制的功能单位。4、复制叉（、复制叉（replication fork）53oriorioriori535533553复制子复制子3真核生物每个染色体上形成多个复制子。真核生物每个染色体上形成多个复制子。大多数原核和真核生物复制时，大多数原核和真核生物复制时，大多数原核和真核生物复制时，大多数原核和真核生物复制时，DNADNA都是都是都是都是从从从从固定起始点固定起始点固定起始点固定起始点开始向两个方向解链，形成两个开始向两个方向解链，形成两个开始向两个方向解链，形成两个开始向两个方向解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为延伸方向相反的复制叉，称为延伸方向相反的复制叉，称为延伸方向相反的复制叉，称为双向复制双向复制双向复制双向复制。5、复制方向、复制方向 （1）双向复制双向复制（bidirectional replication）（2）单向复制）单向复制 从特定的位置开始，单方向进行复制。从特定的位置开始，单方向进行复制。（3）不对称的双向复制）不对称的双向复制 6、复制终点、复制终点 （1）环状）环状DNA复制终点复制终点固定的复制终点固定的复制终点（2）线状）线状DNA复制终点复制终点形成一个大分子形成一个大分子 串联体（多联体）。如噬菌体病毒。串联体（多联体）。如噬菌体病毒。oriterA B CA.环状双链环状双链DNA及复制起始点及复制起始点B.复制中的两个复制叉复制中的两个复制叉C.复制接近终止点复制接近终止点(termination,ter)（二）（二）DNADNA复制的酶系复制的酶系1、使、使DNA链解离的酶链解离的酶l 解旋酶解旋酶l 单链单链DNA结合蛋白结合蛋白l DNA旋转酶（拓扑异构酶）旋转酶（拓扑异构酶）（1）解螺旋酶）解螺旋酶(helicase)（DnaB 蛋白）：蛋白）：利用利用ATP供能，作用于氢键，使供能，作用于氢键，使DNA双链双链解开成为两条单链解开成为两条单链（2）单链）单链DNA结合蛋白结合蛋白(single stranded DNA binding protein,SSB)在复制中维持模板处于单链状态并保护单在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整链的完整 E.Coli中的中的SSB 以四聚体形式存在，与以四聚体形式存在，与DNA结结合具有协同作用。合具有协同作用。DNADNA复制的酶学复制的酶学1010 8 8 局部解链后局部解链后（3）DNA拓扑异构酶拓扑异构酶(DNA topoisomerase)DNADNA复制的酶学复制的酶学解链过程中正超螺旋的形成解链过程中正超螺旋的形成l 拓扑异构酶作用特点拓扑异构酶作用特点既能水解既能水解 、又能连接磷酸二酯键、又能连接磷酸二酯键 拓扑异构酶拓扑异构酶 拓扑异构酶拓扑异构酶 拓扑异构酶拓扑异构酶 拓扑异构酶拓扑异构酶 l 分分 类类DNADNA复制的酶学复制的酶学拓扑异拓扑异构酶构酶切断切断DNA双链中双链中一股一股链，使链，使DNA解链旋转不致打结；适当时候封解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，闭切口，DNA变为松弛状态变为松弛状态。反应反应不需不需ATP。拓扑异拓扑异构酶构酶切断切断DNA分子分子两股两股链，断端通过链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。切口旋转使超螺旋松弛。利用利用ATP供能，连接断端，供能，连接断端，DNA分子进入负超螺旋状态。分子进入负超螺旋状态。l 拓扑异构酶拓扑异构酶作用机制作用机制 DNADNA复制的酶学复制的酶学2、DNA聚合酶聚合酶全称：全称：依赖依赖DNA的的DNA聚合酶聚合酶(DNA-dependent DNA polymerase)简称：简称：DNA-pol活性：活性：1.53 的聚合活性的聚合活性2.核酸外切酶活性核酸外切酶活性 53 外切活性外切活性35 外切活性外切活性（1 1）原核细胞中的）原核细胞中的DNA聚合酶聚合酶DNA-pol DNA-pol DNA-pol 功能功能：对复制中的错误进行校读，对复制和修对复制中的错误进行校读，对复制和修复中出现的空隙进行填补，切除引物。复中出现的空隙进行填补，切除引物。u DNA-pol （109kD）53 聚合活性聚合活性35 外切活性外切活性53 外切活性外切活性l DNApol 利用利用35外切活性切除错配外切活性切除错配的碱基，同时利用的碱基，同时利用53聚合活性补回正确聚合活性补回正确的核苷酸，这种功能称为即时的核苷酸，这种功能称为即时校读校读(proof read)。l DNApol 的的53外切酶作用可以与其外切酶作用可以与其聚合作用同时发生，聚合作用同时发生，产生产生缺口平移缺口平移(nick translation)、链的置换及模板转辙现象。、链的置换及模板转辙现象。碱基配对正确，碱基配对正确，DNApol 无活性无活性3-5外切活性外切活性5-3聚合活性聚合活性DNApol AGdCTPCG5353DNApolDNApol的即时校读功能的即时校读功能555555555333333带有切刻的双链带有切刻的双链切口平移切口平移链的置换链的置换链置换链置换模板转辙模板转辙323个氨基酸个氨基酸小片段小片段5 核酸外切酶活性核酸外切酶活性大片段大片段/Klenow 片段片段 604个氨基酸个氨基酸53聚合活性聚合活性 5 核酸外切酶活性核酸外切酶活性N 端端C 端端木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶DNA-pol u Klenow片段是实验室合成片段是实验室合成DNA，进，进行分子生物学研究中常用的工具酶。行分子生物学研究中常用的工具酶。u DNA-pol（120kD）DNA-pol II基因发生突变，细菌依然基因发生突变，细菌依然 能存活。能存活。它参与它参与DNA损伤的应急状态修复。损伤的应急状态修复。功能功能是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。u DNA-pol (900kD)l DNApol 分子量为分子量为900KD，全酶由，全酶由10种种(、)22个亚个亚基构成不对称二聚体；基构成不对称二聚体；l 核心酶包含核心酶包含、亚基；亚基；亚基分别催化领头链与随从链的合成；亚基分别催化领头链与随从链的合成；亚基有亚基有35外切酶活性及对碱基的选择功外切酶活性及对碱基的选择功能，能，亚基为装配所必需；亚基为装配所必需；亚基起着夹住模板又能使酶延模板滑动的亚基起着夹住模板又能使酶延模板滑动的作用。作用。DNA-pol DNA-pol DNA-pol分子数分子数/细胞细胞 400？20比活性比活性 低于低于pol？比比pol大大10倍以上倍以上分子量分子量(kD)109 120 900分子组成分子组成 单一肽链单一肽链,有有A至至R？10种、种、22个亚基个亚基 共共18-螺旋肽段螺旋肽段 不对称二聚体不对称二聚体53聚合活性聚合活性 53外切活性外切活性 35外切活性外切活性 基因突变后致死性基因突变后致死性 可能可能 不可能不可能 可能可能功功 能能 校读校读 不清楚不清楚 在复制延长中在复制延长中 填补空隙填补空隙 修复合成修复合成 催化新链合成催化新链合成 切除引物切除引物原核生物的三种原核生物的三种DNA聚合酶比较聚合酶比较（2 2）真核细胞中的）真核细胞中的DNADNA聚合酶聚合酶DNA-pol 起始引发，有引物酶活性。起始引发，有引物酶活性。延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。参与低保真度的复制参与低保真度的复制 。在复制过程中起校读、修复和填补缺在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用。口的作用。在在线粒体线粒体DNA复制中起催化作用。复制中起催化作用。DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol 真核生物的真核生物的DNA聚合酶比较聚合酶比较3 3、DNA连接酶连接酶连连接接DNA链链3-OH末末端端和和相相邻邻DNA链链5-P末末端端，使使二二者者生生成成磷磷酸酸二二酯酯键键，从从而而把把两两段段相相邻邻的的DNA链链连连接接成成一一条条完完整的链。整的链。DNA连接酶连接酶(DNA ligase)作用方式作用方式DNA连连接接酶酶在在复复制制中中起起最最后后接接合合缺缺口口的作用。的作用。在在DNA修修复复、重重组组及及剪剪接接中中也也起起缝缝合合缺口作用。缺口作用。也是基因工程的重要工具酶之一。也是基因工程的重要工具酶之一。DNADNA连接酶的功能连接酶的功能3 5 3 5 解链方向解链方向35335领头链领头链(leading strand)随从链随从链(lagging strand)u 半不连续性复制半不连续性复制（三）（三）DNA的复制过程的复制过程顺顺着着解解链链方方向向生生成成的的子子链链，复复制制是是连连续续进进行行的的，这股链称为这股链称为前导链（领头链）前导链（领头链）。另另一一股股链链因因为为复复制制的的方方向向与与解解链链方方向向相相反反，不不能能顺顺着着解解链链方方向向连连续续延延长长，这这股股不不连连续续复复制制的的链链称称为为后后滞滞链链（随随从从链链）。复复制制中中的的不不连连续续片片段段称称为为岡崎片段岡崎片段(okazaki fragment)。领领头头链链连连续续复复制制而而随随从从链链不不连连续续复复制制，就就是是复复制制的的半不连续性半不连续性。参与参与DNA复制的物质复制的物质 底物底物(substrate):dATP,dGTP,dCTP,dTTP聚合酶聚合酶(polymerase):依赖依赖DNA的的DNA聚合酶，简写聚合酶，简写 为为 DNA-pol模板模板(template):解开成单链的解开成单链的DNA母链母链引物引物(primer):提供提供3-OH末端使末端使dNTP可以依次聚合可以依次聚合 其他的酶和蛋白质因子其他的酶和蛋白质因子二、原核生物的二、原核生物的DNA复制复制（一）复制的起始（一）复制的起始（二）复制的延长（二）复制的延长（三）复制的终止（三）复制的终止复制过程：复制过程：需要解决两个问题：需要解决两个问题：1.DNA解开成单链，提供模板。解开成单链，提供模板。2.合成引物，提供合成引物，提供3-OH末端。末端。（一）大肠杆菌基因组复制的起始（一）大肠杆菌基因组复制的起始原核生物的原核生物的DNADNA复制复制E.coli复制起始点复制起始点 oriC GATTNTTTATTT GATCTNTTNTATT GATCTCTTATTAG 1 13 17 29 32 44 1 13 17 29 32 44 TGTGGATTA-TTATACACA-TTTGGATAA-TTATCCACA58 66 166 174 201 209 237 24558 66 166 174 201 209 237 245 串联重复序列串联重复序列 反向重复序列反向重复序列5 3 5 3 1.复制起始点复制起始点 Dna A Dna B、Dna CDNA拓扑异构酶拓扑异构酶引物引物酶酶SSB3 5 3 5 2.复制的引发复制的引发形成形成引发体和引物引发体和引物含有解螺旋酶、含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为复制起始区域的复合结构称为引发体引发体。3 5 3 5 引物是由引物酶催化合成的短链引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。分子。引物引物3 HO5引物引物酶酶v 原核生物原核生物DNA复制的起始复制的起始DNA拓扑异构酶拓扑异构酶在复制起始部位将在复制起始部位将DNA引入引入 负超螺旋。负超螺旋。DnaA蛋白辨认、结合于起始位点，并促使解链。蛋白辨认、结合于起始位点，并促使解链。DnaB与与DnaC复合物进入，生成引发前体，然后复合物进入，生成引发前体，然后 DnaB继续发挥解链的作用。继续发挥解链的作用。SSB与解开的单链结合，稳定和保护单链。与解开的单链结合，稳定和保护单链。引物酶引物酶(DnaG)进入并与引发前体结合生成引发体进入并与引发前体结合生成引发体（解螺旋酶、（解螺旋酶、DnaC 蛋白、引物酶和蛋白、引物酶和DNA起始区）起始区）。引发体中的引物酶催化引发体中的引物酶催化NTP聚合，生成引物。聚合，生成引物。DNA拓扑异构酶拓扑异构酶(型为主型为主)在解链前方理顺在解链前方理顺DNA 链，松弛正超螺旋。链，松弛正超螺旋。（二）复制的延长（二）复制的延长复复制制的的延延长长指指在在DNA-pol催催化化下下，dNTP以以dNMP的的方方式式逐逐个个加加入入引引物物或或延延长长中中的的子子链链上上，其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。原核生物的原核生物的DNADNA生物合成生物合成 5 5 3 35 5dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH 33 3DNA-polu 复制的化学反应复制的化学反应 (dNMP)n+dNTP (dNMP)n+1+PPi u 聚合反应的特点聚合反应的特点以亲代以亲代DNA单链为单链为模板模板DNA 新链生成需新链生成需引物引物；遵循碱基配对规律（遵循碱基配对规律（A=T，GC）dNTP为为原料原料5 3 方向延长方向延长领头链的合成领头链的合成随从链的合成随从链的合成复复制制的的延延长长原核生物基因是环状原核生物基因是环状DNA，双向复制的复制，双向复制的复制片段在复制的终止点片段在复制的终止点(ter)处汇合。处汇合。oriter E.coli8232 ori terSV40500（三）大肠杆菌基因组复制的终止（三）大肠杆菌基因组复制的终止（一）真核细胞（一）真核细胞DNADNA复制的起始点复制的起始点三、真核生物的三、真核生物的DNA复制复制 1、猴病毒、猴病毒SV40 的复制起始点的复制起始点l SV40基因组为基因组为5kb，双链环状，双链环状DNA。l 只有一个复制原点，包括几个必要的元件：只有一个复制原点，包括几个必要的元件：四个四个5-GAGGC-3序列，是大序列，是大T抗原结抗原结 合位点。合位点。一个一个15bp的回文结构，最早解链区域。的回文结构，最早解链区域。一个只有一个只有A-T组成的组成的17bp区域，促进解链。区域，促进解链。2、酵母的复制起始点、酵母的复制起始点自主复制序列，自主复制序列，11bp。真核生物染色体有多个起始点，是多复制子复制。真核生物染色体有多个起始点，是多复制子复制。真核生物染色体有多个起始点，是多复制子复制。真核生物染色体有多个起始点，是多复制子复制。1 1、解链、解链、解链、解链复制的起始需要：复制的起始需要：复制的起始需要：复制的起始需要：DNA-polDNA-pol（引物酶活性）；（引物酶活性）；（引物酶活性）；（引物酶活性）；DNA-polDNA-pol（解螺旋酶活性）；（解螺旋酶活性）；（解螺旋酶活性）；（解螺旋酶活性）；拓扑酶；拓扑酶；拓扑酶；拓扑酶；单链单链单链单链DNADNA结合蛋白结合蛋白结合蛋白结合蛋白 复制蛋白复制蛋白复制蛋白复制蛋白(replication protein A(replication protein A，RPA)RPA)。（二）真核细胞（二）真核细胞DNADNA复制的过程复制的过程3 5 5 3 领头链领头链3 5 3 5 亲代亲代DNA随从链随从链引物引物核小体核小体2 2、复制的延长需要：、复制的延长需要：DNA pol催化新链延长；催化新链延长；增殖细胞核抗原（增殖细胞核抗原（PCNA）提高提高DNA pol在模板上的行进能力。在模板上的行进能力。染色体染色体DNA呈线状，复制在末端停止。呈线状，复制在末端停止。复制中岡崎片段的连接，复制子之间的连接。复制中岡崎片段的连接，复制子之间的连接。染色体两端染色体两端DNA子链上最后复制的子链上最后复制的RNA引物，引物，去除后留下空隙。去除后留下空隙。（三）真核细胞（三）真核细胞DNADNA复制的终止复制的终止5 3 3 5 5 3 3 5+5 3 3 3 3 5 5 复制的终止复制的终止u 端粒端粒(telomere)：指真核生物染色体线性指真核生物染色体线性DNA分分子末端的结构。子末端的结构。u 功能功能 维持染色体的稳定性维持染色体的稳定性 保证染色体末端保证染色体末端DNA复制的完整性复制的完整性u 结构特点结构特点 由末端单链由末端单链DNA序列和蛋白质构成。序列和蛋白质构成。末端末端DNA序列是富含序列是富含T、G短短 序列的序列的多次多次重复重复。TTTTGGGGTTTTGGGG1、端粒的复制：、端粒的复制：u 端粒酶端粒酶(telomerase)端粒酶端粒酶RNA(human telomerase RNA,hTR)端粒酶协同蛋白端粒酶协同蛋白(human telomerase associated protein 1,hTP1)端粒酶逆转录酶端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse transcriptase,hTRT)组成组成端粒酶的端粒酶的催化机制催化机制爬爬行行模模型型DNADNA聚合酶复制子链聚合酶复制子链进一步加工进一步加工2、端粒酶与药物、端粒酶与药物（1）针对端粒酶）针对端粒酶RNA或端粒酶逆转录酶的或端粒酶逆转录酶的mRNA设计反义寡核苷酸药物设计反义寡核苷酸药物 阻断端粒阻断端粒DNA的合成的合成或或端粒酶逆转录酶的表达。端粒酶逆转录酶的表达。如：肽核酸（如：肽核酸（PNA）是一种非常有前途的药物。）是一种非常有前途的药物。u 肽核酸的用途：肽核酸的用途：抗癌研究抗癌研究显著抑制永生化的肿瘤细胞显著抑制永生化的肿瘤细胞 端粒酶活性；端粒酶活性；病原体检测的分子杂交、原位杂交、突变分析等；病原体检测的分子杂交、原位杂交、突变分析等；基因芯片的制备，是基因芯片的升级产品；基因芯片的制备，是基因芯片的升级产品；定量定量PCR，实时检测，实时检测PCR的扩增反应。的扩增反应。（2）核酶）核酶：直接作用于端粒酶直接作用于端粒酶RNA的锤头状核酶。的锤头状核酶。（3）逆转录酶抑制剂：）逆转录酶抑制剂：如：如：3-叠氮胸苷叠氮胸苷 （4）其它：核苷类似物、端粒酶蛋白抗体等。）其它：核苷类似物、端粒酶蛋白抗体等。（四）真核细胞端粒复制过程中的核小体结构（四）真核细胞端粒复制过程中的核小体结构 DNA复制复制半保留式复制；半保留式复制；组蛋白合成组蛋白合成也不是全保留的；也不是全保留的；核小体的重新装配机制不十分清楚。核小体的重新装配机制不十分清楚。四、线粒体四、线粒体DNA的复制的复制（一）线粒体（一）线粒体DNA结构结构l闭环双链闭环双链DNA，一条重链，一条轻链。，一条重链，一条轻链。l不同生物线粒体不同生物线粒体 基因组大小不同，人基因组大小不同，人 16569bp16569bp。l细胞器中有多个类核区，各含多拷贝的细胞器中有多个类核区，各含多拷贝的DNA分子。分子。l与核与核DNA相比，相比，mt DNA所占的比例很小，仅为所占的比例很小，仅为1。lmtDNA结构紧凑，几乎没有重复序列。结构紧凑，几乎没有重复序列。lmtDNA上某些基因可以重叠，但没有内含子。上某些基因可以重叠，但没有内含子。l有一个有一个D环（非编码区），环（非编码区），2个复制起始点。个复制起始点。l动物细胞动物细胞mt DNA编码编码2个个rRNA、22个个tRNA和和 多种酶蛋白，如细胞色素氧化酶、多种酶蛋白，如细胞色素氧化酶、ATP酶等。酶等。（二）线粒体（二）线粒体DNA的复制过程的复制过程u D环复制环复制（D-loop replication）方式方式dNTPDNA-pol （三）线粒体基因与疾病（三）线粒体基因与疾病1、勒伯尔遗传性视神经病、勒伯尔遗传性视神经病 2、神经源性肌软弱、共计失调伴视网膜色素变性、神经源性肌软弱、共计失调伴视网膜色素变性3、阿尔茨海墨病、阿尔茨海墨病4、氨基苷类抗生素致聋、氨基苷类抗生素致聋5、帕金森氏病、帕金森氏病6、糖尿病、糖尿病7、心机病、心机病8、衰老与肿瘤、衰老与肿瘤l mtDNA几乎没有重复序列；没有内含子；某些几乎没有重复序列；没有内含子；某些区域基因重叠；没有蛋白质保护；所以区域基因重叠；没有蛋白质保护；所以mtDNA基因突变频率高于核基因突变频率高于核DNA。引发许多疾病：。引发许多疾病：五、噬菌体和病毒五、噬菌体和病毒DNA的复制的复制（一）单链环状（一）单链环状DNA病毒的复制病毒的复制1、第一阶段：以亲本单链（）为模板，合成、第一阶段：以亲本单链（）为模板，合成 互补链（），形成闭合的双链环状复制形。互补链（），形成闭合的双链环状复制形。2、第二阶段：滚环复制。一个负链可以合成许多、第二阶段：滚环复制。一个负链可以合成许多 正链，正链用于噬菌体包装。正链，正链用于噬菌体包装。3-OH5-P3-OH5-P（二）线状（二）线状DNA病毒的复制病毒的复制 1、双链线状、双链线状DNA的复制的复制 有两种起始类型：从有两种起始类型：从DNA分子的中间起始分子的中间起始 从从DNA分子末端起始分子末端起始腺病毒腺病毒DNA的复制：的复制：从从DNA分子末端起始，分子末端起始，以单链置换形式进行。以单链置换形式进行。2、双链线状、双链线状DNA复制的终止：复制的终止：形成一个大分子的串联体（多联体）。形成一个大分子的串联体（多联体）。图图 p116页页33333333333、单链线状、单链线状DNA的复制：的复制：微小病毒的复制微小病毒的复制图图 p118页页RNA 模板模板逆转录酶逆转录酶DNA-RNA 杂化双链杂化双链RNA酶酶单链单链DNA逆转录酶逆转录酶双链双链DNA（三）逆转录病毒（三）逆转录病毒1、逆转录病毒的复制：、逆转录病毒的复制：从单链从单链RNA到双链到双链DNA的生成分三步的生成分三步u 逆转录酶有三种活性：逆转录酶有三种活性：RNA指导的指导的DNA聚合酶活性；聚合酶活性；RNase活性；活性；DNA指导的指导的DNA聚合酶活性。聚合酶活性。u 逆转录过程：逆转录过程：逆转录病毒逆转录病毒RNA与宿主与宿主tRNA分子互补形成局分子互补形成局 部双链，以部双链，以tRNA为引物，合成为引物，合成DNA负链负链5端。端。由由RNaseH水解去除杂化双链中的水解去除杂化双链中的RNA 5端。端。新合成新合成DNA负链的负链的3端跳到模板端跳到模板RNA的的3端，端，并通过两条链上共同的并通过两条链上共同的R序列形成杂交链。序列形成杂交链。DNA负链向负链向5端延伸。端延伸。RNaseH去除杂化双链中的绝大部分去除杂化双链中的绝大部分RNA。RNaseH去除去除RNA和和tRNA引物。引物。DNA正链的正链的3端跳到端跳到DNA负链的负链的3端，端，以两条链共有的以两条链共有的PBS序列杂交，形成局部双链。序列杂交，形成局部双链。双向延伸完成双向延伸完成DNA双链合成。双链合成。以剩余的一段以剩余的一段RNA作引物合成作引物合成DNA正链的正链的3端。端。2、逆转录病毒与疾病：、逆转录病毒与疾病：u 逆转录病毒感染宿主细胞后，通过反向转录逆转录病毒感染宿主细胞后，通过反向转录 整合到宿主基因组中形成相应的前病毒，这整合到宿主基因组中形成相应的前病毒，这 些逆转录病毒及前病毒的基因产物可以致癌。些逆转录病毒及前病毒的基因产物可以致癌。u 逆转录病毒大都是致癌逆转录病毒大都是致癌RNA病毒。在人类，病毒。在人类，逆转录病毒的插入会引起某些肿瘤的发生。逆转录病毒的插入会引起某些肿瘤的发生。u ALV病毒插入到病毒插入到 c-myc基因座位后，可以不基因座位后，可以不 同的方式激活这个癌基因，造成同的方式激活这个癌基因，造成c-myc基因基因 的过渡表达，产生肿瘤。的过渡表达，产生肿瘤。3、HIV与药物与药物 u HIV 也是逆转录病毒，其复制过程及生活也是逆转录病毒，其复制过程及生活 周期类似于周期类似于RNA肿瘤病毒。肿瘤病毒。u HIV 一般不会将宿主细胞溶解，但一般不会将宿主细胞溶解，但HIV是是 一种慢病毒，可以导致宿主细胞发生病变。一种慢病毒，可以导致宿主细胞发生病变。u 抑制逆转录酶活性是艾滋病治疗的关键：抑制逆转录酶活性是艾滋病治疗的关键：（1）核苷类似物：如叠氮胸苷，）核苷类似物：如叠氮胸苷，3-叠氮脱氧胸苷。叠氮脱氧胸苷。（2）非核苷类似物：特异性增高。）非核苷类似物：特异性增高。（3）HIV-1蛋白酶的抑制剂。蛋白酶的抑制剂。（一）突变（一）突变（mutation）的概念：的概念：是指是指DNA碱基序列发生的可遗传的任何碱基序列发生的可遗传的任何永久性的改变。永久性的改变。第二节第二节 基因突变基因突变一、突变概念和类型一、突变概念和类型自发突变：自发突变：spontaneous mutation诱发突变：诱发突变：induced mutation 突变生成作用：突变生成作用：mutagenesis突变基因：突变基因：mutant gene突变体：突变体：mutant l 相关概念：相关概念：（二）突变类型（二）突变类型（1）点突变（）点突变（point mutation）：即碱基错配）：即碱基错配v 点突变的重要特点之一是具有很高的回复突变率。点突变的重要特点之一是具有很高的回复突变率。转换：同型碱基的改变；转换：同型碱基的改变；即嘌呤到嘌呤或嘧啶到嘧啶的变化。即嘌呤到嘌呤或嘧啶到嘧啶的变化。颠换：异型碱基的改变；颠换：异型碱基的改变；即嘌呤到嘧啶或嘧啶到嘌呤的变化。即嘌呤到嘧啶或嘧啶到嘌呤的变化。包括包括1 1、根据、根据DNADNA碱基序列改变进行分类：碱基序列改变进行分类：点突变：又分为点突变：又分为单点突变单点突变和和多点突变多点突变（2）碱基插入）碱基插入（base insertion）是指一个原来没有的碱基或一段原来没有的核是指一个原来没有的碱基或一段原来没有的核苷酸插入到苷酸插入到DNA大分子中间。大分子中间。（3）碱基缺失（）碱基缺失（base deletion）指一个碱基或一段核苷酸链从指一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上消失。大分子上消失。框移突变（框移突变（frame-shift mutation）：）：插入或缺插入或缺失导致三联体密码的阅读方式改变，造成蛋白质失导致三联体密码的阅读方式改变，造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变，其后果是翻译出的蛋氨基酸排列顺序发生改变，其后果是翻译出的蛋白质可能完全不同。白质可能完全不同。2、对阅读框架的影响：、对阅读框架的影响：5 G C A G U A C A U G U C 丙丙 缬缬 组组 缬缬 G A G U A C A U G U C 谷谷 酪酪 蛋蛋 丝丝实线：原来的密码读法实线：原来的密码读法虚线：缺失虚线：缺失C C后的密码读法后的密码读法 同义突变同义突变(synonymous mutation)：是指没有改变产物氨基酸序列的密码子变化，即是指没有改变产物氨基酸序列的密码子变化，即与密码子的简并性相关。与密码子的简并性相关。3 3、根据对遗传信息的改变情况进行分类：、根据对遗传信息的改变情况进行分类：错义突变错义突变(missense mutation)：指碱基序列的改变引起了产物氨基酸序列的变化。指碱基序列的改变引起了产物氨基酸序列的变化。有些错义突变严重影响蛋白质的功能，会产生有些错义突变严重影响蛋白质的功能，会产生致死性突变致死性突变。有些错义突变基本不影响蛋白质功能，称为有些错义突变基本不影响蛋白质功能，称为中性突变中性突变。中性突变与同义突变一起被称为中性突变与同义突变一起被称为无声突变无声突变。无义突变无义突变(nonsense mutation)：是指某个碱基的改变使代表某种氨基酸的密码是指某个碱基的改变使代表某种氨基酸的密码子变为蛋白质合成的终止密码子，使肽链合成过子变为蛋白质合成的终止密码子，使肽链合成过早终止。因而蛋白质产物一般没有活性。早终止。因而蛋白质产物一般没有活性。4、根据突变表现型对外界环境的敏感性分类：、根据突变表现型对外界环境的敏感性分类：（1）非条件性突变：）非条件性突变：nonconditional mutation（2）条件性突变：）条件性突变：conditional mutation 最常见的条件性突变为温度敏感突变。最常见的条件性突变为温度敏感突变。回复突变（回复突变（back 或或 reverse mutation）：）：突变体失去的野生型性状可以通过第二次突变突变体失去的野生型性状可以通过第二次突变得到恢复，第二次突变叫回复突变。得到恢复，第二次突变叫回复突变。5、根据突变效应是否背离野生型进行分类：、根据突变效应是否背离野生型进行分类：正向突变（正向突变（forward mutation）：）：指改变了野生型性状的突变。指改变了野生型性状的突变。l 回复突变可以使原来的突变基因序列回复回复突变可以使原来的突变基因序列回复 正常，这是真正的回复突变，此情况很少。正常，这是真正的回复突变，此情况很少。如：如：GGAGUAGGAl 抑制突变可以发生在正向突变的基因之中，叫作抑制突变可以发生在正向突变的基因之中，叫作 基因内抑制突变基因内抑制突变；l 大多数是第二次点突变并没有改变正向突变大多数是第二次点突变并没有改变正向突变 的的DNA碱基序列，只是其突变效应被抑制了，碱基序列，只是其突变效应被抑制了，这种第二次回复突变称为这种第二次回复突变称为抑制突变抑制突变 (suppressor mutation)。也可以发生在其它基因之中，叫作也可以发生在其它基因之中，叫作基因间抑制突变基因间抑制突变。6、根据影响基因调控的序列进行分类：、根据影响基因调控的序列进行分类：启动子上升突变：突变增强启动子的活性；启动子上升突变：突变增强启动子的活性；启动子下降突变：突变降低启动子的作用。启动子下降突变：突变降低启动子的作用。HbA 基因基因HbS 基因基因CTCCACGAGGTG 镰形红细胞贫血病人的镰形红细胞贫血病人的HbHb为为HbSHbS 正常成人正常成人HbHb为为HbAHbAHbS=226 gluvalHbA 肽链肽链 N-val his leu thr pro glu glu C(146)HbS 肽链肽链 N-val his leu thr pro val glu C(146)二、突变原因二、突变原因 （一）自发突变（一）自发突变（spontaneous mutation）1、DNA的复制错误：的复制错误：复制错误引起损伤，在复制错误引起损伤，在DNA损伤中最为多见。损伤中最为多见。2、由于碱基本身存在、由于碱基本身存在互变异构体互变异构体，可能形成错误，可能形成错误 的碱基配对。的碱基配对。l 复制错误最多见于复制错误最多见于尿嘧啶（尿嘧啶（U）的渗入，的渗入，另外偶有其它碱基的渗入。另外偶有其它碱基的渗入。3、碱基自发的化学变化：、碱基自发的化学变化：（1）脱嘌呤或脱嘧啶作用：）脱嘌呤或脱嘧啶作用：是指是指DNA分子上分子上丢掉了嘌呤碱或嘧啶碱，形成丢掉了嘌呤碱或嘧啶碱，形成无碱基位点无碱基位点，称，称为为AP部位部位(apyrimidine，apurine site,AP)。在生理状态下，脱嘌呤是脱嘧啶的在生理状态下，脱嘌呤是脱嘧啶的20倍。倍。（2）脱氨基作用：）脱氨基作用：即胞嘧啶、腺嘌呤及鸟嘌呤即胞嘧啶、腺嘌呤及鸟嘌呤 的环外氨基自发丢失。的环外氨基自发丢失。胞嘧啶胞嘧啶尿嘧啶；腺嘌呤尿嘧啶；腺嘌呤次黄嘌呤；次黄嘌呤；鸟嘌呤鸟嘌呤黄嘌呤。黄嘌呤。脱氨基所至的碱基转脱氨基所至的碱基转 变可影响变可影响DNA的复制，由此产生突变。的复制，由此产生突变。4、氧化作用损伤碱基：、氧化作用损伤碱基：1、物理因素、物理因素：包括包括紫外线紫外线(UV)、x射线、射线、射线等各种辐射。射线等各种辐射。UV（二）诱发突变（二）诱发突变（induced mutation）2、化学诱变剂：、化学诱变剂：（三）基因的人工诱变（三）基因的人工诱变1、体外定向突变的原理：