染色体与DNA

分子生物学

第一章知识点总结

\chapter{染色体与DNA}
\section{名词解释}

\textbf{**DNA的变性（Denaturation）**}：当DNA溶液温度接近沸点或者PH较高时，互补的两条链就可能分开，称为DNA的变性。

\textbf{**DNA的复性（Renaturation）**}：当变性的DNA溶液温度降低或者PH恢复正常时，互补的两条链又可能重新结合，称为DNA的复性。（降低温度，形成双链）

\textbf{**染色质**}：真核细胞在间期时，DNA 与蛋白质结合呈松散、丝状的状态 。

\textbf{**染色体**}：细胞分裂期高度包装、规则有序的高级结构。

\textbf{**组蛋白**}：是染色体的结构蛋白，分为H$_1$，H$_2$A，H$_2$B，H$_3$及H$_4$五种，与DNA共同组成核小体。

\textbf{**核小体**}是由H$_2$A、H$_2$B、H$_3$、H$_4$各两个分子生成的八聚体和由大约 200 bpDNA组成的。

\textbf{**基因密度**}(gene density)：每Mb 基因组DNA 上所含有的平均基因数目；\redbf{基因密度越高，生物复杂性越低}。

\textbf{**DNA多态性**}是指DNA序列中发生变异而导致的个体间核苷酸序列的差异，主要包括单核苷酸多态性（SNP）和串连重复序列多态性两类。

\textbf{**端粒（telomere）**}是真核生物线性基因组DNA末端的一种特殊结构，它是一段DNA序列和蛋白质形成的复合体。其DNA序列相当保守，一般有多个短寡核苷酸串连在一起构成。（人5-15kb）具有保护线性DNA的完整复制、保护染色体末端和决定细胞的寿命等功能。

\textbf{**多顺反子mRNA**}：原核生物DNA序列中功能相关的RNA和蛋白质基因，往往丛集在基因组的一个或几个特定部位，形成功能单位或转录单元，它们可被一起转录为含多个ORF的分子，叫多顺反子mRNA。

\section{DNA的结构}

\subsection{核酸的结构}

以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。

\begin{itemize}

  \item DNA：主要存在于细胞核的染色质内，少量存在于

线粒体和叶绿体；\textcolor{red}{携带遗传信息，并通过复制传递给下一代。}

  \item RNA：主要存在于细胞质，真核细胞的核仁和线

粒体也含有少量RNA；\textcolor{red}{是DNA转录的产物，参与遗传信息的复制与表达。}

\end{itemize}

核酸是一种多聚核苷酸。可进一步水解成戊糖、磷酸和碱基三部分。

核苷或脱氧核苷与磷酸通过\textcolor{red}{酯键}结合构成核苷酸或脱氧核苷酸。

\subsubsection{核酸的一级结构}

DNA和RNA是没有分支的多核苷酸长链，各核苷酸残

基沿多核苷酸链排列的顺序称为核酸的\textcolor{red}{一级结构}。

\subsubsection{核酸的二级结构}

\begin{itemize}

  \item 蛋白质因子与DNA的特异性结合依赖于氨基酸与DNA之间的\textcolor{blue}{氢键}形成；

  \item 大沟的空间更有利于与蛋白质的结合；

  \item 蛋白质因子沿大沟与DNA形成专一性，结合几率与多样性\textcolor{red}{高}于沿小沟的结合。

\end{itemize}

DNA链的基本特点：

\begin{itemize}

  \item DNA是由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成的。具有5'和3'极性；

  \item DNA分子中的\textcolor{blue}{脱氧核糖}和\textcolor{blue}{磷酸}交替连接，排在\textcolor{red}{外}侧，构成基本骨架，\textcolor{blue}{碱基}排列在\textcolor{red}{内}侧。

  \item 两条链上的碱基通过\textcolor{blue}{氢键}相结合，形成碱基对。

\end{itemize}

双螺旋结构的物理参数：

\begin{itemize}

  \item 每圈转过约 10 个核苷酸；

  \item 每一圈螺旋的长度为3.4 nm；

  \item 每个碱基对之间的距离为0.34 nm。

  \item 螺旋的直径约为2 nm。

\end{itemize}

通常情况下，DNA的二级结构分两大类：\\

一类是\bluebf{右手螺旋}，如A-DNA和B-DNA；另一类是\bluebf{左手螺旋}，即Z-DNA。

\redbf{B-DNA是最常见的DNA构象。}

A-DNA可能的功能：\bluebf{基因表达具有重要意义}；Z-DNA可能的功能：\bluebf{基因表达调控}相关，\bluebf{抑制基因的转录}。

\begin{kaobox}

影响双螺旋稳定性的因素：

\begin{itemize}

  \item \redbf{氢键}：弱键，可加热接链，氢键堆积，有序排列；

  \item \redbf{磷酸酯键}：强键，稳定骨架，需酶促水解；

  \item \redbf{碱基的堆积力（非特异性）}：磷酸骨架，氨基，酮基周围水分子间的有序排列；范德华力作用半径（1.7 Å）与两个碱基之间作用半径一致；（碱基堆积力是DNA双螺旋稳定的主要因素）碱基堆积力是因为碱基的疏水性而紧密堆积从而形成的一种力，以维持DNA的结构；

  \item \redbf{离子}：磷酸骨架间的排斥作用，Na离子可消除磷酸骨架之间的斥力；

  \item \redbf{疏水作用}：不溶于水的非极性分子在水中相互联合，成串结合的趋势力。

\end{itemize}

\end{kaobox}

DNA的变性和复性：

DNA在260 nm处吸光度最大；

\redbf{T$_{m}$}：吸光度（A260）增加到最大值一半时的温度称为DNA的解链温度或称熔点。

影响T$_{m}$值因素：

\begin{enumerate}

  \item \redbf{GC含量}：GC含量越高，T$_{m}$值越高；

  \item \redbf{离子强度}：高离子强度能够保持双螺旋的稳定性；

  \begin{itemize}

​    \item Na$^+$浓度低，屏蔽（中和）作用小，斥力加强，T$_{m}$降低

​    \item Na$^+$浓度高，屏蔽（中和）作用大，斥力减弱，T$_{m}$增高

  \end{itemize}

  \item \redbf{DNA均一性}：均一性越高，T$_{m}$值越高。溶解温度范围不同（T$_{m}$值衡量DNA均一性）；

  \item \redbf{核酸长度}

  \begin{itemize}

​    \item \bluebf{大片段双链DNA}：片段长短对T$_{m}$值的影响较小，与组成和排列相关；

​    \item \bluebf{小于100bp的双链DNA比较}：片段越短，变性越快，T$_{m}$值越小。

  \end{itemize}

  \item \redbf{极端pH值条件}：改变氢键的形成与结合力。

\end{enumerate}

\redbf{一切减弱氢键，碱基堆积力的因素，都会使T$_{m}$值降低。}

\subsubsection{DNA的高级结构}

\begin{figure}[H]

  \centering

  \includegraphics[width=0.96\textwidth]{img/超螺旋.png} % 替换为你的图片文件名

  \caption{DNA的高级结构：超螺旋}

  \label{fig:supercoiling}

\end{figure}

研究细菌质粒DNA时发现，天然状态下该DNA以\redbf{负超螺旋}为主，稍被破坏即出现开环结构，两条链均断开则呈线性结构。

\begin{kaobox}

  如何判断质粒结构是否被破坏：

  \begin{itemize}

​    \item 在电场作用下（相同分子质量）

​    \item \redbf{超螺旋DNA比线性DNA迁移率大}

​    \item \redbf{线性DNA又比开环的DNA迁移率大}

  \end{itemize}

\end{kaobox}

\section{染色体}

\subsection{染色体的结构与组成}

\redbf{染色体组成}：由DNA和蛋白质（主要是组蛋白）构成 。

DNA只有包装成染色体才能保证其稳定性。

同一物种内每条染色体所带DNA的量是一定的，

但不同染色体或不同物种之间变化很大。

人类基因组概况：

\begin{itemize}

  \item 23 对染色体（1-22 号常染色体 + X/Y 性染色体）；

  \item 数量级：人类基因组大约含有10$^9$数量级的碱基对

\end{itemize}

\subsection{染色体的发现与染色质的概念}

真核与原核细胞染色体\redbf{外观结构}及在细胞内的\redbf{存在方式}不同：

\begin{itemize}

  \item 细菌染色体外裹着\redbf{稀疏的蛋白质}，这些蛋白质与DNA的折叠、DNA复制、重组及转录过程有关。

  \item 真核细胞的染色体中，DNA与蛋白质完全融合在一起，\redbf{DNA、组蛋白和非组蛋白及部分RNA}（主要是尚未完成转录而仍与模板DNA相连接的那些RNA）组成了染色体。

  \item 原核生物没有真正的细胞核，DNA一般位于一个类似“核”的结构——称为\redbf{类核体}；

  \item 原核生物都是\redbf{单倍体}的：一般只有一条染色体且大都带有\redbf{单拷贝基因}（特例rRNA基因）；

  \item 真核细胞有明显的核结构。

  \item 真核生物\redbf{体细胞}的染色体多是二倍体，而\redbf{生殖细胞}的染色体为单倍体；

  \item 基因通常有两个拷贝，其中的一个拷贝会通过配子（精子或卵子）从亲本传到子代。

\end{itemize}

\subsection{真核细胞染色体的组成}

蛋白质（组蛋白与非组蛋白）真核生物基因组DNA

\subsubsection{组蛋白的一般特性}

\begin{itemize}

  \item \redbf{进化上的极端保守性}。不同种生物组蛋白的氨基酸组成是十分相似的，特别是H$_3$、H$_4$。牛、猪、大鼠的H$_4$ 氨基酸序列完全相同

  \item \redbf{无组织特异性}。仅发现鸟类、鱼类及两栖类红细胞染色体不含H$_1$而带有H$_5$，精细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白这两个例外。

  \item \redbf{肽链上氨基酸分布的不对称性}。\redbf{碱性氨基酸}集中分布在N端的半条链上。碱性的半条链易与\redbf{DNA的负电荷区}结合，而另外半条链与其他组蛋白、非组蛋白结合。

  \item \redbf{组蛋白的修饰作用}。组蛋白的N端半条链上有许多赖氨酸和精氨酸残基，这些残基可以被\redbf{乙酰化}、\redbf{甲基化}、\redbf{磷酸化}等修饰，参与染色质的构象变化和基因表达调控。

\end{itemize}

\subsection{染色质和核小体}

染色体由DNA和蛋白质组成的\redbf{证据}：

\begin{itemize}

  \item 染色质DNA的T$_{m}$值比自由DNA高，说明在染色质中DNA极可能与蛋白质分子相互作用；\redbf{（双链解离）}

  \item 在染色质状态下，由DNA聚合酶和RNA聚合酶催化的DNA复制和转录活性大大低于在自由DNA中的反应；\redbf{（转录活性）}

  \item DNA酶I (DNaseI)对染色质DNA的消化远远慢于对纯DNA的作用。\redbf{（保护DNA切割）}

\end{itemize}

\subsection{压缩}

\begin{figure}[H]

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  \caption{DNA的高级结构：压缩}

  \label{fig:compression}

\end{figure}

\subsection{真核生物基因组DNA}

基因组的大小与\redbf{生物体的复杂性相关}。

单倍染色体中 DNA 的总长度称为\redbf{基因组的大小}。

真核细胞的DNA 序列大致上可被分为3 类：

\begin{itemize}

  \item \redbf{不重复序列} 一般只有一个或几个拷贝，它占DNA总量的40\%～80\%。不重复序列长750～2000 bp，相当于一个结构基因的长度。

  \item \redbf{中度重复序列} 这类序列的重复次数在101～104之间，占总DNA 的10\%～40\%，各种rRNA、tRNA 以及某些结构基因如组蛋白基因等都属于这一类。

  \item \redbf{高度重复序列}——卫星DNA。

\end{itemize}

\subsubsection{真核生物基因组的结构特点}

\begin{itemize}

  \item \redbf{真核基因组庞大，一般都远大于原核生物的基因组}。

  \item \redbf{真核基因组存在大量的重复序列}。

  \item \redbf{真核基因组的大部分为非编码序列}，占整个基因组序列的90\%以上，

  \redbf{该特点是真核生物与细菌和病毒之间最主要的区别。}

  \item \redbf{真核基因组的转录产物为单顺反子。}

  \item \redbf{真核基因是断裂基因，有内含子结构。}

  \item \redbf{真核基因组存在大量的顺式作用元件。包括启动子、增强子、沉默子等。}

  \item \redbf{真核基因组中存在大量的DNA多态性。}\bluebf{DNA多态性}是指DNA序列中发生变异而导致的个体间核苷酸序列的差异，主要包括\redbf{单核苷酸多态性（SNP）和串连重复序列多态性两类。}

  \item \redbf{真核基因组具有端粒结构}。端粒（telomere）是真核生物线性基因组DNA末端的一种特殊结构，它是一段DNA序列和蛋白质形成的复合体。其DNA序列相当保守，一般有多个短寡核苷酸串连在一起构成。（人5-15kb）具有保护线性DNA的完整复制、保护染色体末端和决定细胞的寿命等功能。

\end{itemize}

\subsubsection{原核生物基因组的结构特点}、

\begin{itemize}

  \item \redbf{结构简炼}。

  \item \redbf{存在转录单元}；原核生物DNA序列中功能相关的RNA和蛋白质基因，往往丛集在基因组的一个或几个特定部位，形成功能单位或转录单元，它们可被一起转录为含多个ORF的分子，叫多顺反子mRNA。

  \item \redbf{有重叠基因}：在一些细菌和动物病毒中有重叠基因，即同一段DNA能携带两种不同蛋白质的信息。

\end{itemize}

\section{DNA复制}

双链DNA的复制是一个非常复杂的过程，分为复制

的\bluebf{起始、延伸和终止三个阶段}。

\subsection{DNA的半保留复制}

DNA 在复制过程中碱基间的氢键断裂，双螺旋解旋并被分开，每条链分别作为模板合成新链，产生互补的两条链。\redbf{每个子代分子的一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的}，这种复制方式被称为DNA 的半保留复制。

\subsection{DNA复制的基本概念}

\begin{enumerate}

  \item 复制子与复制叉

  \begin{itemize}

​    \item 一般把\redbf{生物体内能独立进行复制的单位}称为复制子，从复制起始点到终止点的区域为一个复制子。

​    \item 一个复制子只含一个复制起始点

​    \item 复制时，\redbf{双链DNA} 要解开成两股链分别进行，所以，这个复制起始点呈现叉子的形式，被称为复制叉

​    \item 复制叉从复制起点开始沿着DNA 链连续移动，起始点可以启动单向复制或者双向复制，这主要取决于在复制起点形成一个复制叉还是两个复制叉。

  \end{itemize}

  \item 复制起始点：

  \begin{itemize}

​    \item 细菌、酵母、线粒体和叶绿体中的复制起始点的共同特点是含有丰富的\redbf{AT序列}，它可能有利于DNA 复制启动时双链的解开。

​    \item 细菌、病毒和线粒体的DNA 分子都是作为单个复制子完成复制的，而真核生物基因组可以\redbf{同时在多个复制起点上进行双向复制}。

  \end{itemize}

  \item 复制终止点

  \begin{itemize}

​    \item \redbf{复制子中控制复制终止的位点称为复制终止点(terminus)}。

​    \item 在环形的大肠杆菌DNA中，复制终止点在起始点的相对位置(旋转180°)

​    \item 复制从起始点开始，双向进行，复制叉向两个相反方向沿环状DNA前进，最后两个复制叉相遇在一个位点而停止，该位点即为\redbf{终止位点}。

  \end{itemize}

  \item 复制方向

  \begin{itemize}

​    \item 通过\redbf{放射自显影实验}可以判断DNA 复制的方向性。

​    \item \redbf{单向复制}：从一个复制起始点开始，只有一个复制叉在移动。某些环状DNA利用这种方式拷贝双链DNA，如质粒ColE1 DNA。

​    \item \redbf{双向复制}：复制起始于一个位点，但向两侧分别形成复制叉，向相反方向移动。这种复制方式最为普遍。无论是原核生物还是真核生物，DNA的复制主要是从\redbf{固定的起始点以双向等速复制方式进行}。

​    \item \redbf{相向复制}：从两个起始点分别起始两条链的复制，这种模式虽然有两个复制叉的生长端，但在每个复制叉中\redbf{只有一条链作为模板}合成DNA。某些线性DNA病毒(如腺病毒)以这种方式进行复制。

  \end{itemize}

  \item \redbf{复制速度}：真核生物的基因组比原核生物大，其染色体具有复杂的高级结构，复制时需要解开核小体，复制后又需重新形成核小体，其复制叉移动速度为1000～3000 bp/min。真核生物染色体DNA 上有多个复制起始点，可进行多复制子的同步复制。

  \item \redbf{冈崎片段与半不连续复制}：在复制叉中，沿着模板链的3'到5'方向进行连续复制的链叫做领先链；沿着模板链的5'到3'方向进行不连续复制的链叫做滞后链。滞后链的合成是通过短片段（冈崎片段）逐段进行的，这种复制方式被称为半不连续复制。\greenbf{前导链合成是连续的，后随链是不连续的。}

  \item \redbf{DNA 聚合酶的作用机制}

  \begin{itemize}

​    \item DNA聚合酶的3个结构域:三维结构类似于一只半握的右手，其3个结构域分别被称为拇指、手指和手掌。

​    \item DNA聚合酶的延伸能力:

​    \begin{itemize}

​      \item DNA的合成速度是由\redbf{DNA聚合酶的延伸能力}决定的。

​      \item DNA聚合酶的延伸能力是\redbf{指每次聚合酶与模板-引物结合时所能添加的核苷酸的平均数}。

​      \item DNA聚合酶沿着DNA模板滑行的能力，DNA聚合酶与完全包围DNA的\redbf{“滑动夹”蛋白}之间的相互作用可以提高延伸能力。

​    \end{itemize}

​    \item 外切核酸酶具有矫正新合成DNA的能力，校正外切核酸酶通过去除不正确的碱基配对的核苷酸来校正DNA的合成。

  \end{itemize}

\end{enumerate}

\section{原核生物和真核生物的DNA复制的特点}

\subsection{原核生物DNA复制的特点}

\begin{enumerate}

  \item DNA 双螺旋的解旋：

  \begin{itemize}

​    \item DNA在复制时，首先在拓扑异构酶Ⅰ的作用下解开负超螺旋，并与解链酶共同作用，在复制起始点处解开双链。SSB蛋白来稳定解开的单链，接着由引发酶等组成的引发体迅速作用于两条单链DNA上。

​    \item 前导链和后随链的合成，都需要一段RNA引物以起始子链DNA 的合成。

​    \item \redbf{DNA解链酶}能通过水解ATP 获得能量来解开双链DNA。

​    \item \redbf{单链结合蛋白(SSB蛋白)}保证被解链酶解开的单链在复制完成前能保持单链结构。

​    \item \redbf{DNA拓扑异构酶(DNA topoisomerase)} 消除解链造成的正超螺旋的堆积。

  \end{itemize}

  \item DNA链的引发：

  \begin{itemize}

​    \item DNA复制时，往往先由引发酶（primase， RNA聚合酶）在DNA模板上合成一段RNA链，作为引发末端\redbf{(引物)}。

​    \item 前导链引发过程比较简单，\redbf{只要有一段RNA引物即可启动DNA合成}。

​    \item 后随链的引发过程由\redbf{引发体}引发。

  \end{itemize}

  \item DNA链的延伸：

  \begin{itemize}

​    \item 在复制的延伸过程中，\redbf{前导链和后随链}的合成同时进行。

​    \item 前导链持续合成，合成方向\redbf{与复制叉一致}。

​    \item 后随链的合成分段进行，形成中间产物\redbf{冈崎片段}，再通过共价连接成一条连续完整的新DNA 链。

  \end{itemize}

  后随链的合成分为4 个步骤：

  \begin{itemize}

​    \item 首先，引物酶合成约10 核苷酸大小的新引物。

​    \item \redbf{DNA聚合酶Ⅲ}以5′ → 3′ 方向延伸该引物，直到遇见邻接引物的5′ 端。这个新合成的DNA片段就是冈崎片段。

​    \item $E.coli$ 中，\redbf{DNA聚合酶Ⅰ}被用来去除引物。

​    \item DNA连接酶连接相邻的冈崎片段使之成为一条完整的子代链。

  \end{itemize}

  \item 复制的终止:当复制叉前移，遇到约22个碱基的重复性终止子序列(Ter)时，Ter-Tus复合物能使DnaB不再将DNA解链，阻挡复制叉的继续前移，等到相反方向的复制叉到达后停止复制，其间仍有50～100 bp 未被复制，由DNA修复机制填补空缺，其后两条链解开。

  \item DNA 聚合酶（ $E.coli $DNA聚合酶 Ⅰ -V）

  \begin{itemize}

​    \item \redbf{DNA聚合酶 Ⅰ}是第一个被鉴定出来的DNA聚合酶（除去冈崎片段引物）；

​    \item \redbf{DNA聚合酶 Ⅱ}起3’-5’外切核酸酶活性（校对作用，修复DNA的作用）；

​    \item \redbf{DNA聚合酶 Ⅲ}聚合酶活性强，是$E.coli $DNA复制中的主导聚合酶，是组成高度延伸能力的DNA聚合全酶的主要部分。

  \end{itemize}

  \item 原核生物DNA 复制的调控

  \begin{itemize}

​    \item 迅速分裂的细胞具较多复制叉，而分裂缓慢的细胞复制叉较少并出现复制的间隙。

​    \item 细胞内复制叉的多少决定复制起始频率的高低，这可能是原核细胞复制的调控机制。

​    \item 复制起始频率的直接调控因子是蛋白质和RNA。

​    \item $E.coli$ OriC和OriH复制起始点，\redbf{OriC}是首选

  \end{itemize}

\end{enumerate}

\subsection{真核生物DNA复制的特点}

\begin{enumerate}

  \item 真核生物 DNA每个细胞周期只精确地复制一次。在真核生物细胞中，DNA复制只是细胞周期的一部分，\redbf{它只在S期进行。第一批复制子的激活标志着S期的开始。}

  \item 真核细胞复制的起始需要在前复制复合体pre-RC 的指导下进行。

  \begin{itemize}

​    \item 酵母的复制起始点称为自主复制序列(ARS)。

​    \item 对ARS序列进行识别(复制器选择)发生在G1期。

​    \item ORC招募蛋白质组成前复制复合体pre-RC(形成)介导了复制器的选择。

  \end{itemize}

  \item \redbf{细胞周期蛋白依赖性激酶调控前复制复合体的形成和激活}

  \begin{itemize}

​    \item G1 期形成前复制复合体pre-RC介导了复制器的选择

​    \item 只有在细胞从G1到达S期后，两种激酶Cdk和Ddk在S期被激活，pre-RC被磷酸化后诱发起始点上其他复制蛋白的组装和复制的起始。

​    \item Cdk对于前复制复合体pre-RC具有双重调控作用：激活pre-RC和抑制pre-RC形成； Cdk在G1期细胞中无活性。

  \end{itemize}

\end{enumerate}

\subsection{真核生物 DNA 聚合酶}

\begin{figure}[H]

  \centering

  \includegraphics[width=0.96\textwidth]{img/DNA复制.png} % 替换为你的图片文件名

  \caption{DNA复制}

  \label{fig:DNAreplication}

\end{figure}

\subsection{端粒酶与末端复制}

\begin{enumerate}

\item 真核生物\redbf{冈崎片段RNA引物的去除}分为两步：

  \begin{itemize}

​    \item 一种可特异性切除DNA-RNA杂合底物的\redbf{RNA酶H1}发挥内切核酸酶的活性，在靠近RNA 与DNA的连接处切开引物，由具备\redbf{5′→3′外切核酸酶}活性的FEN1蛋白降解RNA片段。

​    \item 由\redbf{DNA连接酶Ⅰ}将相邻的冈崎片段连接起来。

  \end{itemize}

  \item 端粒酶与DNA末端复制：由于所有新的DNA合成启动都需要一条引物，这使线性染色体末端的复制成为难题，称为末端复制问题。

  \item 当后随链复制机器到达染色体末端时，引物酶可能没有足够的空间去合成新的RNA引物，导致后随链DNA产物上3, 端形成一小段单链DNA。在下一轮复制中，这个区域将被丢失，两个产物中的一个会因此逐步变短。

  \item 细胞主要通过两种方法来解决末端复制问题：

  \begin{itemize}

​    \item 用引物蛋白质代替RNA作为每个染色体末端最后一个冈崎片段的引物。

​    \item 多数真核细胞利用端粒酶来延伸染色体3,端，解决末端复制问题。端粒酶由蛋白质和RNA组成。端粒酶利用其自身含有的RNA成分作为模板将端粒序列添加到染色体3'端。

  \end{itemize}

\end{enumerate}

\subsection{真核细胞 DNA 的复制调控}

真核细胞中DNA复制有3个水平的调控，分别为：

\begin{enumerate}

  \item \redbf{细胞生活周期水平调控} 也称为限制点调控，即决定细胞停留在G1 期还是进入S 期。

  \item \redbf{染色体水平调控} 决定不同染色体或同一染色体不同部位的复制子按一定顺序在S 期起始复制。

  \item \redbf{复制子水平调控} 决定的起始与否。

\end{enumerate}

\section{DNA的突变与修复}

\subsection{DNA的突变}

\redbf{基因突变}是指在基因内的遗传物质发生可遗传的结构和数量的变化。

\redbf{DNA的突变}主要来源于DNA复制过程中出现的错误、遗传物质的化学和物理损伤，以及转座子插入所造成的DNA 序列变化。

复制错误和 DNA 损伤有两个后果：

\begin{itemize}

  \item 给 DNA 带来永久性的不可逆的改变，最终改变基因编码的序列，

称之为基因突变；

  \item DNA 的某些化学变化使得 DNA不能再被用作模板进行复制和转录。

\end{itemize}

\subsection{DNA的修复}

\subsubsection{错配修复}

一旦DNA复制过程中发生错配，细胞能够通过准

确的错配修复(mismatch repair)系统识别新合成链

中的错配并加以校正，DNA子链中的错配几乎完

全能被修正，充分反映了母链序列的重要性。该

系统识别母链的依据来自\redbf{Dam甲基化酶}。

\subsubsection{切除修复}

\begin{enumerate}

  \item 碱基切除修复：细胞中有能识别受损核酸位点的糖苷水解酶，特异性切除受损核苷酸上的N-β糖苷键，在DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶位点，统称为\redbf{AP位点}。一旦产生AP位点，AP内切核酸酶就会把受损核苷酸的糖苷-磷酸键（酯键）切开，移去包括AP位点在内的小片段DNA，由DNA聚合酶Ⅰ合成新的片段。

  \item 核苷酸切除修复：当DNA链上相应位置的核苷酸发生损伤，导致双链之间无法形成氢键，则由核苷酸切除修复系统负责修复。

\end{enumerate}

\subsubsection{同源重组修复和非同源末端连接}

当DNA发生双链断裂时，可通过同源重组修复

(\redbf{HR})和非同源末端连接(\redbf{NHEJ})来进行修复。

同源重组修复是利用细胞内的同源染色体对应

的DNA序列作为修复模板进行DNA修复的过程。

\subsubsection{直接修复}

直接修复是把损伤的碱基回复到原来状态的一种修复。如DNA光解酶修复胸腺嘧啶二体及6-4 光化物(6-4 photoproduct)的过程。

\subsubsection{跨损伤合成修复}

跨损伤合成(\redbf{TLS}) ，也称为“跨

缺刻复制”或“备份复制” (backup synthesis)，最先发现于\redbf{原核细胞}中。

在DNA链复制过程中，当DNA聚合酶遇到嘧啶二聚

体或脱嘌呤位点等没有被修复的损伤而使复制停顿

时，\redbf{复制机器必须越过损伤以防止复制叉的崩塌}。

\subsubsection{SOS 修复系统}

SOS修复(SOS repair)系统是细胞DNA受到损伤或复制系统受到抑制

的紧急情况下，细胞为求生存而产生的一种应急措施。它是一种旁路

系统，允许新生的DNA链越过胸腺嘧啶二聚体继续复制，其代价是\redbf{保真度的极大降低}。

SOS修复包括诱导DNA损伤修复、诱变效应、细胞分裂的抑制以及溶

原性细菌释放噬菌体等。

\section{DNA的转座}

DNA的转座，或称移位(transposition)是由可移位因子(transposable element)介

导的遗传物质重排现象。

在转座的过程中，可移位因子的一个拷贝常常留在原来的位置上，在新位点上出现的仅仅是拷贝。转座有别与同源重组，它依赖于DNA的复制

\subsection{转座的类型}

转座子(transposon, Tn)存在于染色体DNA上\redbf{可自主复制和位移的基本单位}。

转座子分为两大类：

\begin{enumerate}

  \item \redbf{插入序列}(insertional sequence, IS)

  \begin{itemize}

​    \item 最简单的转座子，是细菌的一小段可转座元件，常被称为插入序列，它们是细菌染色体（少于10个）或质粒DNA的正常组成部分。

​    \item 常见的IS序列都是很小的DNA片段(约1 千碱基对)，末端具有反向重复区，转座时往往复制宿主靶位点一小段(4～15 碱基对)DNA，形成位于IS序列两端的正向重复区。

  \end{itemize}

  \item \redbf{复合型转座子}(composite transposon)

  \begin{itemize}

​    \item 复合型转座子是一类带有某些抗药性基因(或其他宿主基因)的转座子，其两翼往往是两个相同或高度同源的IS 序列。

​    \item IS序列决定和调节转座能力

​    \item IS序列被修饰，不能单独移动

​    \item 没有IS序列的、体积庞大的转座子(5000碱基对以上)——TnA家族。这类转座子带有3个基因，其中一个编码β-内酰胺酶(AmpR)，另两个则是转座作用所必需的。

  \end{itemize}

\end{enumerate}

\subsection{真核生物中的转座子}

\begin{itemize}

  \item 自主性因子(autonomouselement)，具有自主剪接和转座的功能

  \item 非自主性因子(nonautonomous element)。单独存在时不能转座，当基因组中存在与非自主性因子同家族的自主性因子时，它才具备转座功能。

\end{itemize}

\subsection{转座作用的遗传学效应}

\begin{itemize}

  \item \redbf{转座引起插入突变}。各种IS、Tn转座子都可以引起插入突变。

  \item \redbf{转座产生新的基因}。如果转座子上带有抗药性基因，它一方面造成靶DNA序列上的插入突变，同时也使这个位点产生抗药性。

  \item \redbf{转座产生的染色体畸变}。当复制型转座发生在宿主DNA原有位点附近时，往往导致转座子两个拷贝之间的同源重组，引起DNA 缺失（正向重复Tn）或倒位（反向重复Tn ）。

  \item \redbf{转座引起的生物进化}。由于转座作用，使原来在染色体上相距甚远的基因组合到一起，构建成一个操纵子或表达单元，可能产生有新的生物学功能的基因和新的蛋白质分子。

\end{itemize}

\section{SNP的理论与应用}

单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism，SNP)，指基因组DNA

序列中由于单个核苷酸(A、T、C 和G)的突变而引起的多态性。

位于染色体上某一区域的一组相关联的SNP等位位

点被称作单倍型(haplotype)

SNP是继限制性片段长度多态性(RFLP)和微卫星标记(SSR)之后的第三代遗传标记。

目前国际上最常见的方法：DNA 测序法