第三章 DNA的生物合成与重组解析

1、DNA拓扑异构酶
DNA具有拓扑性质。拓扑性质是指物体或图象作弹性移 动而又保持物体不变的性质。碱基顺序相同但连环数/ 拓扑环绕数不同的两个双链DNA分子称为拓扑异构体。
能催化DNA拓扑异构体互变的一类酶称为拓扑异构酶 （topoisomerase, topo）。
拓扑异构酶可分为两类，一类是拓扑异构酶I（Topo I）， 另一类是拓扑异构酶II（Topo II）。
（一）DNA双链的解旋 1、DNA拓扑异构酶：改变DNA超螺旋状态、
理顺DNA链
复制过程正超螺旋的形成：
局部解链后 10
8
பைடு நூலகம்
解链过程中正超螺旋的形成
拓扑异构酶作用特点： ➢ 既能水解 、又能连接磷酸二酯键。
拓扑异构酶分类： 拓扑异构酶Ⅰ 拓扑异构酶Ⅱ
作用机制：
拓扑异 构酶Ⅰ
切断DNA双链中一股链，使DNA 解链旋转不致打结；适当时候封 闭切口，DNA变为松弛状态。
但是有两个问题他们在当时尚无法回答： ①在复制过程中DNA双螺旋如何解旋将双链打开； ②在复制过程中DNA的两条链是否同时作为模板复制子链。 1958年Matthew Meselson和Franklin Stahl通过实验对后一个问
题给予了一个满意的解答，而人们对第一个问题的真正了解却是 在拓扑异构酶的发现之后。
各种生物通过其自身基因组核酸准确、完整的复 制将其中蕴藏的生物遗传信息忠实地传给子代， 以保证物种的连续性。
因此，遗传信息的传递实际上就是基因组全部核 酸序列的复制。
复制(replication) 是指遗传物质的传代， 以母链DNA为模板合成子链DNA的过程。
亲代DNA
复制 子代DNA
第一节 复制
第三章
DNA的生物合成与重组
DNA Biosynthesis ( Replication )
本章主要内容：
➢ 第一节 复制
➢ 一、复制的基本特点 ➢ 二、原核生物DNA复制 ➢ 三、真核生物DNA复制 ➢ 四、复制的形式 ➢ 五、逆转录 ➢ 第二节 DNA损伤（突变）与修复
1953年当Watson 和Crick提出DNA双螺旋结构模 型时，他们就意识到碱基配对原则可能对遗传信 息的传递具有重要的意义。这一设想已经得到证 实。
2、全保留复制（conservative replication）： 以亲代的每一条链为模板合成一条新链，但在组
成两个子代分子时，一个子代分子完全是亲代的 两条旧链组成，而另一个子代分子则由新合成的 两条新链组成。
SSB还能与复制新生的DNA单链结合，以保护其免 被核酸酶水解。SSB在复制过程中，可以循环利 用，发挥其保护单链DNA的作用。
（二）半保留复制：是DNA复制的基本特征
在DNA双螺旋结构模型提出以后，关于DNA复制方式有几 种不同的推测。
1、混合性复制：是在 “断裂-连接”模型的基础之上提出 的。Delbrück在试图解释DNA双螺旋的解旋过程时提出了 这一模型。但是根据这一模型推测出的DNA复制方式，得 到一种非常复杂的结果：DNA的每一条子链的一部分由新 合成的DNA组成，而另一部分由模板链组成。
（一）DNA双链的解旋
➢根据Watson 和Crick的DNA双螺旋模型以及他们 对DNA作为复制模版的推测，人们首先提出的问 题是：DNA分子只有在松弛螺旋、解开双链、使 碱基暴露后，才能在DNA聚合酶催化下以DNA 为模板按碱基互补的原则进行复制。
➢那末，在复制过程中DNA双螺旋如何解旋 将双链打开？按照每10个碱基一个螺旋推 测，仅仅一条人的染色体DNA就有几百万 甚至几千万次螺旋。很难想象在DNA进行 复制时这些螺旋如何打开。为此人们在最 初甚至对DNA双螺旋的模型发生质疑。
➢ 1954年Delbrück首次提出“断裂-连接”模型 （breakage-and-reunion model），试图解 释DNA双螺旋的解旋过程。但是直到20世纪70 年代末拓扑异构酶被发现之后，人们才对这一过 程具有了真正的了解。目前已知参与松弛螺旋及 解链的酶与蛋白质主要有拓扑异构酶、解链酶及 DNA单链结合蛋白。
在DNA复制时，Rep蛋白与某种解链蛋白分别在两 条DNA亲链上协同作用，使DNA双链得以解开。
3、单链DNA结合蛋白
单链DNA结合蛋白(single stranded DNA binding protein, SSB) ——在复制中维持模板处于单链状 态并保护单链的完整，以利于其发挥模板作用。 。
复制时大部分解链酶可以沿着随从链的模板以5'3'方向 随复制叉的前进而移动，并连续地解开DNA双链。只有 Rep蛋白是沿着前导链的模板以3'5'移动。
Rep蛋白在初发现时被称为复制蛋白Rep， 后来 发现它在有ATP存在时能解开DNA双链，每解开1 对碱基，需消耗2分子ATP，因而又定名为解链蛋 白。
➢ （一）DNA双链的解旋 ➢ （二）复制的方式 ——半保留复制(semi-conservative
replication) ➢ （三）复制叉和半不连续复制(semi-discontinuous
replication) ➢ （四）复制的基本过程：起始、链的延长、终止。
一、DNA复制的基本特点
Watson 和Crick在提出DNA双螺旋结构时指出，双螺旋的每一条 DNA链都可以作为模板合成一条与其互补的DNA链，从而形成两 条与其完全相同的子链。
在细胞分裂过程中，以亲代DNA为模板合成子代 DNA分子的过程称为DNA复制（DNA replication）。
自1953年Watson 和Crick提出DNA双螺旋结构模型 时开始，DNA复制的轮廓就已经诞生。
由于原核生物DNA复制过程相对比较简单，有关 复制的资料多半是从原核生物中获得。
一、DNA复制的基本特点
反应不需ATP。
拓扑异 构酶Ⅱ
切断DNA分子两股链，断端通过 切口旋转使超螺旋松弛。
利用ATP供能，连接断端， DNA 分子进入负超螺旋状态。
拓扑酶的作用方式：
2、解链酶(helicase) ——利用ATP供能，作用于氢键， 使DNA双链解开成为两条单链。
解链酶有多种，包括大肠杆菌解链酶II、III， 大肠杆菌 Rep蛋白等。