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第十二章DNA的生物合成(TheBiosynthesisofDNA)生物有机体的遗传特征以密码(code)的形式编码在DNA分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序-遗传信息，在细胞分裂前通过DNA的复制(Replication)，将遗传信息由亲代传递给子代，在后代个体发育中，遗传信息自DNA转录(Transcription)给RNA，并指导蛋白质合成，以执行各种生命功能，使后代表现出与亲代相似的遗传性状，这种遗传信息的传递方向，是从DNA到RNA再到蛋白质，即所谓的生物学“中心法则”，80年代后在某些致癌RNA病毒中发现遗传信息也可存在于RNA分子中，由RNA通过逆转录(reversetranscription)的方式将遗传信息传递给DNA。1958年，弗朗西斯·克里克提出了“中心法则”。他指出：遗传信息只能单向传递，即从DNA到RNA再到蛋白质。那时的“中心法则”只包括遗传信息从DNA传递给RNA，再从RNA传递给蛋白质的转录和翻译过程中，以及遗传信息从DNA传递给DNA的复制过程。其图解如下：DNA→RNA→蛋白质中心法则它包含几个要点：(1)DNA的功能是转录，它控制生命的遗传和生长，而它的基本结构不受生物活动和变化的影响，它是最保守的大分子，忠实地复制自身，抵制一切变革和进化。(2)进化是起因于DNA偶然复制错误。(3)众多的偶然复制错误，只有通过天择才能优胜劣汰，使生物不断地进化。那么遗传信息真的如克里克指出的只能单向传递吗？1970年生物学家梯明和巴尔蒂姆得出了与上述中心法则不同的结果，他们分别在肿瘤病毒中发现依赖RNA的DNA聚合酶（逆转录酶），在这种酶的催化下，RNA可以指导合成DNA，说明细胞中遗传信息可以从RNA传递给DNA。另外的一些病毒实验还表明，RNA是遗传信息的携带者，具有自我复制的能力，并同时作为mRNA，指导病毒蛋白质的生物合成。中心法则上述结果促使克里克在1971年对中心法则作了进一步补充与完善。补充后的中心法则如下图所示:DNA中的碱基排列顺序决定了蛋白质中的氨基酸的顺序，决定了蛋白质的组成和结构中心法则表示的是DNA和RNA以及蛋白质之间信息流的传递顺序，也叫做“中心命题”。基本公式如下：DNARNA→蛋白质中心法则我们说DNA决定蛋白质，说的就是DNA决定蛋白质中的氨基酸排列顺序。氨基酸的排列顺序定下来，蛋白质的结构和功能也就确定了。所以说，DNA决定蛋白质。疯牛病，是一种侵犯牛中枢神经系统的慢性的致命性疾病，由一种非常规的病毒——朊病毒（Prion）引起的一种亚急性海绵状脑病，这类病还包括绵羊的痒病、人的克-雅氏病（Creutzfeldt-JakobSyndrome,CJD）（又称早老痴呆症）以及最近发现的致死性家庭性失眠症等等。疯牛病的出现对一致的中心法则提出了挑战。因为在疯牛病的朊病毒是一类非正常的病毒，它不含有通常病毒所含有的核酸，而是一种不含核酸仅有蛋白质的蛋白感染因子。其主要成分是一种蛋白酶抗性蛋白，对蛋白酶具有抗性。可能的信息流是：蛋白质→DNA→RNA由DNA到RNA再到蛋白质的信息流是遗传信息流，而由蛋白质向DNA、RNA的信息流向是反馈信息流，它们是两种性质不同的信息流，前者为了保持不变，是以拷贝、转录等方式进行的，而后者反馈新信息影响DNA局部的改变，是通过传导、催化、参与、调控等方式进行的；前者是一次性的拷贝和转录便可实现信息流动的目标，形成对象性的蛋白，而后者却要多代持久的反馈才能由渐变到突变实现进化的目标。不区分不同目标和方式的信息流，认为蛋白质只有像DNA一样能进行拷贝，才能出现逆向信息流，就会永远陷入中心法则的单向信息流而不得其解。既然生物三种大分子之间有双向信息交流，就应名副其实地用双向法则来替代中心法则。由DNA→RNA→蛋白质的遗传信息流，是生物衍演后代保持物种稳定的转录信息流，是非常重要的一个流向；但由蛋白质→RNA→DNA，以及由蛋白质→DNA→RNA的信息流向，是促使生物不断开放、进化的反馈信息流，是另一必不可少的重要的信息流。正是由于这双向的信息流，才使生物不断衍演进化，从低级到高级、从简单到复杂、从单一到丰富，经过38亿年发展为今天这样无比生机勃勃，丰富多彩、协同有序的生命世界。第一节DNA的复制合成第二节DNA的反转录作用第三节DNA的损伤与修复第一节DNA的复制DNA作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。DNA的合成机理5’5’3’3’复制的基本规律（1）半保留复制（2）在特定的部位开始原核一个/真核多个（3）单向或双向（4）从5’3’方向进行（5）半不连续复制（6）需要RNA作为引物双螺旋DNA的复制曾经有过多种关于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：两条DNA母链用黄色，新合成的DNA链用蓝色表示。DNA分子复制时可能有三种途径，每一种都遵循碱基互补原则：1.保留复制途径认为复制完成后保留最初的母链并另外产生一条全新的完整DNA双链分子；2.分散复制途径认为复制后产生两条新老杂合的DNA双链分子，而且每条单链上新片段和老片段也是杂合在一起的；3.半保留复制途径认为复制后产生两条新老杂合的DNA双链分子；但是每条DNA双链分子中的单链，一条完全是新的，一条完全是老的。事实上，DNA的复制是半保留的。DNA母链中的两条单链各自作为新链合成的模板，按照碱基互补原则在母链上合成新链。合成的每条子链DNA双链分子中，各有一条新老单链。(一)DNA的半保留复制(semiconservativereplication)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。一、DNA复制的方式及一般过程：半保留复制的证明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：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。Inordertodeterminewhichofthesemodelswastrue,thefollowingexperimentwasperformed:TheoriginalDNAstrandwaslabelledwiththeheavyisotopeofnitrogen,N-15.ThisDNAwasallowedtogothroughoneroundofreplicationwithN-14,andthenthemixturewascentrifugedsothattheheavierDNAwouldformabandlowerinthetube,andtheintermediate(oneN-15strandandoneN-14strand)andlightDNA(allN-14)wouldappearasabandhigherinthetube.Theexpectedresultsforeachmodelwere:半保留复制实验DNA双螺旋是由两条方向相反的单链组成，复制开始时，双链打开，形成一个复制叉(replicativefork,从打开的起点向一个方向形成)或一个复制泡(replicativebubble，从打开的起点向两个方向形成。)两条单链分别做模板。各自合成一条新的DNA链。由于DNA一条链的走向是5’→3’方向，另一条链的走向是3′→5′方向，但生物体内DNA聚合酶只能催化DNA从5′→3′的方向合成。那么，两条方向不同的链怎样才能做模板呢?(二)DNA复制的一般过程：原来，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(laggingstrand)，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(Okazakifragments)，原核生物岗崎片段含有1000-2000核苷酸，真核生物一般100-200核苷酸。最后再将多个岗崎片段连接成一条完整的链。由于前导链的合成是连续进行的，而随从链的合成是不连续进行的，所以从总体上看DNA的复制是半不连续复制：DNA的半不连续复制DNA复制是半保留复制，即经过一轮复制，在子代双链DNA分子中有一条链来自亲本的旧链，另一条链为新合成的。复制开始时，亲代DNA双链分子打开，分别作为模板，连续地合成一条前导链；不连续地合成一些片段，而后连成一条随从链，所以DNA复制是半不连续合成。DNA的复制是以DNA为模板，在DNA指导的DNA聚合酶催化下进行的DNA合成反应。合成原料为四种dNTP，合成反应的方向为5′→3′。反应中需要有RNA作为引物。合成产物DNA的序列与模板DNA的序列是互补的。细胞分裂时，通过DNA的复制作用，遗传信息从亲代DNA分子中传到子代DNA分子中。DNA复制的全部过程可以人为地分成三个阶段：第一个阶段为DNA复制的起始阶段，这个阶段包括起始点，复制方向以及引发体的形成；第二阶段为DNA链的延长，包括前导链及随从链的形成和切除RNA引物后填补空缺及连接岗崎片段。第三阶段为DNA复制的终止阶段。(1)模板和合成原料新合成DNA的特异性完全取决于模板DNA。三磷酸核苷酸（dATP，dGTP，dCTP，dTTP）是合成原料。(2)酶和蛋白质细胞内还有许多酶和蛋白质参与DNA的复制：螺旋酶（Helicase）可以和单链DNA结合，并且与ATP结合，利用ATP分解时产生的能量沿DNA链向前运动促使DNA双链打开。单链DNA结合蛋白（SSBP）能很快地和复制叉方向产生的单链区单链DNA结合，防止其重新配对形成双链DNA或被核酸酶降解，并使其呈伸展状态，有利于单链DNA作为模板。DNA拓扑异构酶(DNATopoisomerase)催化同一DNA分子不同超螺旋状态之间的转变。拓扑异构酶Ⅰ的作用是使超螺旋DNA松弛化。拓扑异构酶Ⅱ将负超螺旋引入DNA分子。负超螺旋的存在有利于DNA的双链分开。引物酶（Primase）和RNA聚合酶（RNAPolymerase）大肠杆菌中引物酶催化引物RNA分子的合成。在单链噬菌体M13DNA和质粒Co1E1DNA复制时，引物的合成是由RNA聚合酶催化的。参与ＤＮＡ复制的物质：(一)DNA复制的起始点很多实验都证明：复制是从DNA分子上的特定部位开始的，这一部位叫做复制起始点(originofreplication)常用ori或o表示。细胞中的DNA复制一经开始就会连续复制下去，直至完成细胞中全部基因组DNA的复制。DNA复制从起始点开始直到终点为止，每个这样的DNA单位称为复制子或复制单元(replicon)。在原核细胞中，每个DNA分子只有一个复制起始点，因而只有一个复制子，而在真核生物中，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。每个复制子长约50-200kb。二、DNA复制的起始阶段：(1)定点开始双向复制：这是原核生物和真核生物DNA复制最主要的形式，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，用电子显微镜可以观察到复制泡的存在：(二)DNA复制的方向：