第十章 DNA的生物合成?

一、遺傳學(xué)的中心法則和反中心法則：?

DNA通過復(fù)制將遺傳信息由親代傳遞給子代；通過轉(zhuǎn)錄和翻譯，將遺傳信息傳遞給蛋白質(zhì)分子，從而決定生物的表現(xiàn)型。DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯過程就構(gòu)成了遺傳學(xué)的中心法則。但在少數(shù)RNA病毒中，其遺傳信息貯存在RNA中。因此，在這些生物體中，遺傳信息的流向是RNA通過復(fù)制，將遺傳信息由親代傳遞給子代；通過反轉(zhuǎn)錄將遺傳信息傳遞給DNA，再由DNA通過轉(zhuǎn)錄和翻譯傳遞給蛋白質(zhì)，這種遺傳信息的流向就稱為反中心法則。?

二、DNA復(fù)制的特點：?

1．半保留復(fù)制：DNA在復(fù)制時，以親代DNA的每一股作模板，合成完全相同的兩個雙鏈子代DNA，每個子代DNA中都含有一股親代DNA鏈，這種現(xiàn)象稱為DNA的半保留復(fù)制(semiconservative replication)。DNA以半保留方式進(jìn)行復(fù)制，是在1958年由M. Meselson 和 F. Stahl 所完成的實驗所證明。?

2．有一定的復(fù)制起始點：DNA在復(fù)制時，需在特定的位點起始，這是一些具有特定核苷酸排列順序的片段，即復(fù)制起始點（復(fù)制子）。在原核生物中，復(fù)制起始點通常為一個，而在真核生物中則為多個。?

3．需要引物(primer)：DNA聚合酶必須以一段具有3'端自由羥基（3'-OH）的RNA作為引物，才能開始聚合子代DNA鏈。RNA引物的大小，在原核生物中通常為50～100個核苷酸，而在真核生物中約為10個核苷酸。?

4．雙向復(fù)制：DNA復(fù)制時，以復(fù)制起始點為中心，向兩個方向進(jìn)行復(fù)制。但在低等生物中，也可進(jìn)行單向復(fù)制。?

5．半不連續(xù)復(fù)制：由于DNA聚合酶只能以5'→3'方向聚合子代DNA鏈，因此兩條親代DNA鏈作為模板聚合子代DNA鏈時的方式是不同的。以3'→5'方向的親代DNA鏈作模板的子代鏈在聚合時基本上是連續(xù)進(jìn)行的，這一條鏈被稱為領(lǐng)頭鏈(leading strand)。而以5'→3'方向的親代DNA鏈為模板的子代鏈在聚合時則是不連續(xù)的，這條鏈被稱為隨從鏈(lagging strand)。DNA在復(fù)制時，由隨從鏈所形成的一些子代DNA短鏈稱為岡崎片段(Okazaki fragment)。岡崎片段的大小，在原核生物中約為1000～2000個核苷酸，而在真核生物中約為100個核苷酸。?

三、DNA復(fù)制的條件：?

1．底物：以四種脫氧核糖核酸(deoxynucleotide triphosphate)為底物，即dATP，dGTP，dCTP，dTTP。?

2．模板(template)：以親代DNA的兩股鏈解開后，分別作為模板進(jìn)行復(fù)制。?

3．引發(fā)體(primosome)和RNA引物(primer)：引發(fā)體由引發(fā)前體與引物酶（primase）組裝而成。引發(fā)前體是由若干蛋白因子聚合而成的復(fù)合體；引物酶本質(zhì)上是一種依賴DNA的RNA聚合酶（DDRP）。?

4．DNA聚合酶（DNA dependent DNA polymerase, DDDP）：?

⑴種類和生理功能：在原核生物中，目前發(fā)現(xiàn)的DNA聚合酶有三種，分別命名為DNA聚合酶Ⅰ（pol Ⅰ），DNA聚合酶Ⅱ（pol Ⅱ），DNA聚合酶Ⅲ（pol Ⅲ），這三種酶都屬于具有多種酶活性的多功能酶。pol Ⅰ為單一肽鏈的大分子蛋白質(zhì)，具有5'→3'聚合酶活性、3'→5'外切酶活性和5'→3'外切酶的活性；其功能主要是去除引物、填補(bǔ)缺口以及修復(fù)損傷。pol Ⅱ具有5'→3'聚合酶活性和3'→5'外切酶活性，其功能 不明。pol Ⅲ是由十種亞基組成的不對稱二聚體，具有5'→3'聚合酶活性和3'→5'外切酶活性，與DNA復(fù)制功能有關(guān)。?

在真核生物中，目前發(fā)現(xiàn)的DNA聚合酶有五種。其中，參與染色體DNA復(fù)制的是pol α（延長隨從鏈）和pol δ（延長領(lǐng)頭鏈），參與線粒體DNA復(fù)制的是pol γ，polε與DNA損傷修復(fù)、校讀和填補(bǔ)缺口有關(guān)，pol β只在其他聚合酶無活性時才發(fā)揮作用。?

⑵DNA復(fù)制的保真性：為了保證遺傳的穩(wěn)定，DNA的復(fù)制必須具有高保真性。DNA復(fù)制時的保真性主要與下列因素有關(guān)：①遵守嚴(yán)格的堿基配對規(guī)律；②在復(fù)制時對堿基的正確選擇；③對復(fù)制過程中出現(xiàn)的錯誤及時進(jìn)行校正。?

5．DNA連接酶(DNA ligase)：DNA連接酶可催化兩段DNA片段之間磷酸二酯鍵的形成，而使兩段DNA連接起來。該酶催化的條件是：① 需一段DNA片段具有3'-OH，而另一段DNA片段具有5'-Pi基；② 未封閉的缺口位于雙鏈DNA中，即其中有一條鏈?zhǔn)峭暾?；?需要消耗能量，在原核生物中由NAD+供能，在真核生物中由ATP供能。?

6．單鏈DNA結(jié)合蛋白（single strand binding protein, SSB）：又稱螺旋反穩(wěn)蛋白（HDP）。這是一些能夠與單鏈DNA結(jié)合的蛋白質(zhì)因子。其作用為：①穩(wěn)定單鏈DNA，便于以其為模板復(fù)制子代DNA；② 保護(hù)單鏈DNA，避免核酸酶的降解。?

7．解螺旋酶（unwinding enzyme）：又稱解鏈酶或rep蛋白，是用于解開DNA雙鏈的酶蛋白，每解開一對堿基，需消耗兩分子ATP。?

8．拓?fù)洚悩?gòu)酶(topoisomerase)：拓?fù)洚悩?gòu)酶可將DNA雙鏈中的一條鏈或兩條鏈切斷，松開超螺旋后再將DNA鏈連接起來，從而避免出現(xiàn)鏈的纏繞。?

四、DNA生物合成過程：?

1．復(fù)制的起始：?

⑴預(yù)引發(fā)：①解旋解鏈，形成復(fù)制叉：由拓?fù)洚悩?gòu)酶和解鏈酶作用，使DNA的超螺旋及雙螺旋結(jié)構(gòu)解開，形成兩條單鏈DNA。單鏈DNA結(jié)合蛋白（SSB）結(jié)合在單鏈DNA上，形成復(fù)制叉。DNA復(fù)制時，局部雙螺旋解開形成兩條單鏈，這種叉狀結(jié)構(gòu)稱為復(fù)制叉。②引發(fā)體組裝：由引發(fā)前體蛋白因子識別復(fù)制起始點，并與引發(fā)酶一起組裝形成引發(fā)體。?

⑵引發(fā)：在引發(fā)酶的催化下，以DNA鏈為模板，合成一段短的RNA引物。?

2．復(fù)制的延長：?

⑴聚合子代DNA：由DNA聚合酶催化，以親代DNA鏈為模板，從5'→3'方向聚合子代DNA鏈。?

⑵引發(fā)體移動：引發(fā)體向前移動，解開新的局部雙螺旋，形成新的復(fù)制叉，隨從鏈重新合成RNA引物，繼續(xù)進(jìn)行鏈的延長。?

3．復(fù)制的終止：?

⑴去除引物，填補(bǔ)缺口： RNA引物被水解，缺口由DNA鏈填補(bǔ)，直到剩下最后一個磷酸酯鍵的缺口。?

⑵連接岡崎片段：在DNA連接酶的催化下，將岡崎片段連接起來，形成完整的DNA長鏈。?

⑶真核生物端粒（telomere）的形成：端粒是指真核生物染色體線性DNA分子末端的結(jié)構(gòu)部分，通常膨大成粒狀。線性DNA在復(fù)制完成后，其末端由于引物RNA的水解而可能出現(xiàn)縮短。故需要在端粒酶（telomerase）的催化下，進(jìn)行延長反應(yīng)。端粒酶是一種RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體，它可以其RNA為模板，通過逆轉(zhuǎn)錄過程對末端DNA鏈進(jìn)行延長。?

五、DNA的損傷：?

由自發(fā)的或環(huán)境的因素引起DNA一級結(jié)構(gòu)的任何異常的改變稱為DNA的損傷。常見的DNA的損傷包括堿基脫落、堿基修飾、交聯(lián)，鏈的斷裂，重組等。引起DNA損傷的因素有：?

1．自發(fā)因素：?

(1)自發(fā)脫堿基：由于N-糖苷鍵的自發(fā)斷裂，引起嘌呤或嘧啶堿基的脫落。?

(2)自發(fā)脫氨基：C自發(fā)脫氨基可生成U，A自發(fā)脫氨基可生成I。?

(3)復(fù)制錯配：由于復(fù)制時堿基配對錯誤引起的損傷。?

2．物理因素：由紫外線、電離輻射、X射線等引起的DNA損傷。其中，X射線和電離輻射常常引起DNA鏈的斷裂，而紫外線常常引起嘧啶二聚體的形成，如TT，TC，CC等二聚體。?

3．化學(xué)因素：?

(1)脫氨劑：如亞硝酸與亞硝酸鹽，可加速C脫氨基生成U，A脫氨基生成I。?

(2)烷基化劑：這是一類帶有活性烷基的化合物，可提供甲基或其他烷基，引起堿基或磷酸基的烷基化，甚至可引起鄰近堿基的交聯(lián)。?

(3)DNA加合劑：如苯并芘，在體內(nèi)代謝后生成四羥苯并芘，與嘌呤共價結(jié)合引起損傷。?

(4)堿基類似物：如5-FU，6-MP等，可摻入到DNA分子中引起損傷或突變。?

(5)斷鏈劑：如過氧化物，含巰基化合物等，可引起DNA鏈的斷裂。?

六、DNA突變的類型：?

1．點突變：轉(zhuǎn)換——相同類型堿基的取代。顛換——不同類型堿基的取代。插入——增加一個堿基。缺失——減少一個堿基。?

2．復(fù)突變：插入—— 增加一段順序。缺失—— 減少一段順序。倒位—— 一段堿基順序發(fā)生顛倒。易位—— 一段堿基順序的位置發(fā)生改變。重組—— 一段堿基順序與另一段堿基順序發(fā)生交換。?

七、DNA突變的效應(yīng)：?

1．同義突變：基因突變導(dǎo)致mRNA密碼子第三位堿基的改變但不引起密碼子意義的改變，其翻譯產(chǎn)物中的氨基酸殘基順序不變。?

2．誤義突變：基因突變導(dǎo)致mRNA密碼子堿基被置換，其意義發(fā)生改變，翻譯產(chǎn)物中的氨基酸殘基順序發(fā)生改變。?

3．無義突變：基因突變導(dǎo)致mRNA密碼子堿基被置換而改變成終止暗碼子，引起多肽鏈合成的終止。?

4．移碼突變：基因突變導(dǎo)致mRNA密碼子堿基被置換，引起突變點之后的氨基酸殘基順序全部發(fā)生改變。?

八、DNA損傷的修復(fù)：?

DNA損傷的修復(fù)方式可分為直接修復(fù)和取代修復(fù)兩大類。直接修復(fù)包括光復(fù)活、轉(zhuǎn)甲基作用和直接連接作用，均屬于無差錯修復(fù)。取代修復(fù)包括切除修復(fù)、重組修復(fù)和SOS修復(fù)，后二者屬于有差錯傾向修復(fù)。?

1．光復(fù)活：由光復(fù)活酶識別嘧啶二聚體并與之結(jié)合形成復(fù)合物，在可見光照射下，酶獲得能量，將嘧啶二聚體的丁酰環(huán)打開，使之完全修復(fù)。?

2．轉(zhuǎn)甲基作用：在轉(zhuǎn)甲基酶的催化下，將DNA上的被修飾的甲基去除。此時，轉(zhuǎn)甲基酶自身被甲基化而失活。?

3．直接連接：DNA斷裂形成的缺口，可以在DNA連接酶的催化下，直接進(jìn)行連接而封閉缺口。?

4．切除修復(fù)：這種修復(fù)機(jī)制可適用于多種DNA損傷的修復(fù)。該修復(fù)機(jī)制可以分別由兩種不同的酶來發(fā)動，一種是核酸內(nèi)切酶，另一種是DNA糖苷酶。①特異性的核酸內(nèi)切酶（如原核中的UvrA、UvrB和UvrC）或DNA糖苷酶識別DNA受損傷的部位，并在該部位的5'端作一切口；②由核酸外切酶（或DNA聚合酶Ⅰ）從5'→3'端逐一切除損傷的單鏈；③在DNA聚合酶的催化下，以互補(bǔ)鏈為模板，合成新的單鏈片段以填補(bǔ)缺口；④由DNA連接酶催化連接片段，封閉缺口。?

5．重組修復(fù)：①DNA復(fù)制時，損傷部位導(dǎo)致子鏈DNA合成障礙，形成空缺；②此空缺誘導(dǎo)產(chǎn)生重組酶（重組蛋白RecA），該酶與空缺區(qū)結(jié)合，并催化子鏈空缺與對側(cè)親鏈進(jìn)行重組交換；③對側(cè)親鏈產(chǎn)生的空缺以互補(bǔ)的子鏈為模板，在DNA聚合酶和連接酶的催化下，重新修復(fù)缺口；④親鏈上的損傷部位繼續(xù)保留或以切除修復(fù)方式加以修復(fù)。?

6．SOS修復(fù)：這是一種在DNA分子受到較大范圍損傷并且使復(fù)制受到抑制時出現(xiàn)的修復(fù)機(jī)制，以SOS借喻細(xì)胞處于危急狀態(tài)。