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第二章：DNA复制

2.1 DNA复制概述

半保留复制

半保留复制

是DNA复制的核心机制：

亲代DNA:    5'-ATGC-3'      3'-TACG-5'
                ↓ 解旋
子代DNA1:   5'-ATGC-3'  +  新合成: 3'-TACG-5'
子代DNA2:   新合成: 5'-ATGC-3'  +  3'-TACG-5'

实验证明：Meselson和Stahl（1958）的¹⁵N同位素标记实验

复制起点与复制叉

概念	说明
复制起点（Origin）	DNA复制开始的特定序列
复制叉（Replication fork）	Y形结构，双链解开的区域
复制子（Replicon）	从一个起点复制的DNA单位

原核生物：通常单一起点（如OriC） 真核生物：多个起点，形成复制泡

2.2 DNA复制机制

复制过程中的关键酶

酶	功能	特点
解旋酶（Helicase）	解开双链	ATP供能，双向移动
单链结合蛋白（SSB）	稳定单链	防止复性、降解
拓扑异构酶	缓解超螺旋	I型切断单链，II型切断双链
DNA聚合酶	合成新链	5’→3’方向，需引物
引物酶（Primase）	合成RNA引物	提供3’-OH末端
DNA连接酶	连接片段	连接Okazaki片段

前导链与后随链

前导链与后随链

：

• 前导链（Leading strand）：连续合成，方向与复制叉移动相同
• 后随链（Lagging strand）：不连续合成，形成冈崎片段

半不连续复制：一条连续，一条不连续

DNA聚合酶特性

原核生物（以大肠杆菌为例）：

聚合酶	功能	特点
Pol I	修复、切除RNA引物	5’→3’外切活性
Pol II	修复	SOS修复
Pol III	主要复制酶	高保真、高速度

真核生物：

• Pol α

  ：合成RNA-DNA引物

• Pol δ

  ：合成后随链

• Pol ε

  ：合成前导链

2.3 DNA复制的调控

复制起始调控

原核生物：

• DnaA

  蛋白结合OriC的9bp重复序列

• ATP-DnaA促进双链解开
• DnaC

  协助DnaB解旋酶加载

真核生物：

• 复制起点识别复合物ORC
• Cdc6

  和Cdt1招募MCM解旋酶

• CDK

  和DDK激酶激活复制起始

复制检查点

复制检查点

确保DNA完整复制：

• S期检查点：监测复制叉进展
• DNA损伤检查点：ATM/ATR激酶通路
• 复制许可：每轮细胞周期只复制一次

2.4 端粒与端粒酶

端粒结构

端粒

（Telomere）：染色体末端的保护结构

• 序列：人类为TTAGGG重复（5-15 kb）
• 结构：T环（T-loop），3’端回折
• 功能：防止染色体末端被识别为DNA损伤

端粒酶

端粒酶

（Telomerase）：

• 核糖核蛋白

  复合物

• RNA组分

  （TERC）：模板序列

• 蛋白质组分

  （TERT）：逆转录酶活性

机制：

端粒DNA 3'端 → 端粒酶结合 → 以RNA为模板延伸 → 移位 → 重复

端粒与衰老

端粒缩短：

• 正常体细胞：端粒酶活性低，端粒逐代缩短
• Hayflick极限

  ：细胞分裂约50-60次后衰老

端粒酶与癌症：

• 85-90%的癌细胞端粒酶重新激活
• 维持端粒长度，获得无限增殖能力

2.5 DNA损伤与修复

损伤类型

诱变剂	损伤类型
UV	嘧啶二聚体（CPD、6-4光产物）
电离辐射	双链断裂、碱基氧化
烷化剂	碱基烷基化

主要修复机制

直接修复：

• 光修复

  ：光裂合酶裂解嘧啶二聚体

切除修复：

• BER

  （碱基切除修复）：修复单个损伤碱基

• NER

  （核苷酸切除修复）：修复大的螺旋扭曲

双链断裂修复：

• 同源重组

  （HRR）：高保真，需要同源模板

• 非同源末端连接

  （NHEJ）：易错，不需要模板

本章小结

• DNA半保留复制确保遗传信息精确传递
• 复制是半不连续的，需要多种酶协同
• 复制起始受严格调控，确保每周期只复制一次
• 端粒酶维持染色体末端，与衰老和癌症相关
• DNA损伤修复机制维持基因组稳定性

思考题

1. 为什么DNA复制需要RNA引物？
2. 前导链和后随链的合成有什么不同？
3. 端粒酶在癌症治疗中有什么潜在应用？