第二章 基因的复制与传递

各种生物基因组中，绝大部分基因贮存的遗传信息都是蛋白质的一级结构信息，部分基因贮存的是tRNA、rNRA等NRA分子的一级结构信息。除少数RNA病毒可将遗传信息直接从RNA输出以外，大部分生物（包括逆转录病毒）的遗传信息都是从 DNA分子中输出的。

2.1 基因复制的基本特点

蕴藏在基因组中的生物遗传信息是物种遗传和变异的依据。所有的生物都是通过对其自身基因组的复制将亲代的遗传信息准确地传递给子代的，从而保证了物种的连续性。

从根本上来说，遗传信息的复制是指以原来的DNA分子为模板合成出与其一模一样的分子的过程。基因组核酸的复制有很多种形式，主要有DNA复制、DNA以RNA为中间体进行复制、RNA复制及RNA通过利用DNA作为中间体进行复制。其中原核生物、真核生物的基因组和多数DNA病毒的基因组是以DNA复制的方式来完成基因组的复制，少数DNA病毒是通过以RNA为中间体来复制其基因组DNA，RNA病毒则是通过RNA复制的方式完成其基因组的复制，逆转录病毒是以DNA为中间体来复制其基因组RNA。例如，RNA病毒可以以其自身的RNA为模板进行复制，某些RNA病毒通过逆转录（reverse transcription）方式将自己的遗传信息传递给宿主DNA，从而促进了癌症的发生。

DNA复制（DNA replication）是指在细胞分裂过程中，以亲代DNA为模板合成子代DNA分子的过程。1953年Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型，标志着DNA复制的轮廓诞生。

2.1.1 DNA复制的起始点和方向

基因组中可以独立进行复制的单位称为复制子（replicon）。在复制子中具有控制复制起始作用的位点称为复制起始点（origin of repli-cation，ori），同时在复制子中可能还有终止复制作用的位点。

无论真核生物或原核生物，DNA复制都是从固定的起始点开始的，复制起始点是DNA上一段特定的碱基顺序，约含100 ～200 bp。原核生物的染色体只有一个复制起始点，复制从起点开始，进行到终点结束，完成整个染色体DNA复制，即染色体只有一个复制子。真核生物的复制是从多个起始位点开始的，也就是说真核生物的DNA分子上有多个复制子。

复制时在酶的作用下亲代DNA分子在含有复制子的特定区域内打开双链，然后以每条单链为模板，以碱基互补配对的原则合成两个子代双链DNA分子。在开始时，复制起始点处呈现一叉形（Y形），称之为复制叉（replication fork）或生长点（growing point）。DNA在复制叉处断裂氢键并解旋，形成各自的互补链，在电子显微镜下可以观察到形如人眼状的结构，称为复制眼或复制泡（图2-1）。当复制叉向前移动时，DNA的复制过程得以进行。

DNA复制的方向主要有两种不同的形式：从一个起始点开始，以同一方向生长出两条链，形成一个复制叉，例如质粒ColE1；从一个起始点开始，同时沿两个相反的方向各生长出两条链，形成两个复制叉，这种方式最为常见，例如大肠杆菌的DNA复制。对大多数生物体内DNA来说都是以双向等速方式进行复制的（图2-2）。

2.1.2 半保留复制

DNA在复制时由于其自身结构特点，采取了一种特殊的方式， DNA双链中的互补碱基之间的氢键断裂并解旋、分开形成两条单链，而后各以一条单链为模板，按碱基互补原则各自合成新的互补链，新合成的两个DNA分子和亲代DNA分子是完全一样的。在子代DNA分子中一条单链来自亲代，另一条单链是新合成的，这种复制方式称为半保留复制（semi-conserva-tive replication）（图2 -3）。由于DNA分子中两股单链存在碱基互补关系，所以一股链可以确定其对应链的碱基序列，按照半保留复制的方式，子代保留了亲代DNA的全部遗传信息，保证了遗传的稳定性。但是这种稳定性是相对的， DNA在代谢上并不完全是惰性物质，在各种物理、化学和生物因子的作用下，DNA会发生损伤，并需要修复；在复制和转录过程中DNA也会有损耗，而必须进行更新；在生物发育和分化过程中， DNA的特定序列还可能被修饰、删除、扩增和重排，其结构将导致突变。所以，从进化的角度上看，DNA处在不断的变异和发展之中。

2.1.3 半不连续复制

细胞内，染色体DNA的两条双链都可以作为模板进行复制，但是由于DNA双螺旋的两条链是反向平行的，即一条方向是5′→ 3′，另一条方向是3′→5′，两条链都能作为模板合成新的互补链。但是到目前为止所知生物体内的DNA聚合酶的催化方向都是5′→3′，这样就出现了复制过程中如何保证两条链同时进行复制的矛盾。所以在复制时，有一条子链的合成方向与复制叉前进方向相同，另一条子链的合成方向与复制叉前进方向相反。DNA聚合酶以3′→5′方向模板链为模板，随着复制叉移动的方向，连续合成新的互补链，称前导链（leading strand）。相对的另外一条链，则是随着复制叉的移动，与其移动方向相反，合成许多不连续的DNA片段，称为随从链（lagging strand）。随从链上这些不连续的片段是1968年日本学者冈崎首先发现的，所以称为冈崎片段（Okazaki fragment）。随从链的合成其实是首先合成许多冈崎片段，连接酶再将冈崎片段连接成完整的DNA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DNA的复制是半不连续复制（semidiscontinuous replication）（图2-4）。由于随从链的合成是一段一段的，其合成时间相对滞后于前导链，所以严格地说，DAN半不连续复制又是不对称进行的。

2.2 参与复制的重要酶类和蛋白因子

要将单个的脱氧核苷酸连接成完整的DNA双链需要多种酶和蛋白质的参与，包括多种DNA聚合酶和RNA聚合酶。到目前为止发现核生物中有30多种酶和蛋白质参与DNA的复制过程。

2.2.1 松弛螺旋与解链的酶及蛋白质

DNA从起始点开始向一个方向复制时，局部的DNA双链必须打开，其主要靠解链酶的作用。打开后的单链还需要单链结合蛋白与其结合，在复制叉向前移动时造成其前方DNA分子所产生的正超螺旋，必须由拓扑异构酶来解决。

1.拓扑异构酶（DNA topoisomerase）

DNA的拓扑结构是指DNA分子的空间结构，即其构象做弹性移动而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，该酶通过改变DNA双链的互绕数或称拓扑连环数而影响其拓扑结构。

拓扑异构酶可分为两类：拓扑异构酶I（Topo 1）和拓扑异构酶Ⅱ（TopoⅡ）（表2-1）。

Topo I的作用主要是使DNA的一条链切断，断端绕螺旋轴顺松弛超螺旋的方向转动，然后将切口再连接封闭。这一过程的连续进行，将减少超螺旋数，使DNA分子构象趋向松弛。Topo I的异构化作用，整个过程并不发生化学键的不可逆水解，没有能量的丢失。因此反应不需要ATP。

Topo Ⅱ又称旋转酶（gyrase），有2个A亚基和2个B亚基。该酶的作用与Topo I不同，能使DNA的两条链同时发生断裂和再连接，并可引入负超螺旋，此时需要由ATP供能。α亚基具有磷酸二酯酶活性，β亚基具有DNA依赖的ATP酶活性。当TopoⅡ与DNA分子结合时，同时使两条链断裂，两个A亚基分别与5′-磷酸基结合，在酶构象改变的牵引下，另一双链穿过切口，然后断裂的两条链重新连接，从而使局部的正超螺旋（右手螺旋）转变成负超螺旋（图2-5）。ATP水解产生的能量用来恢复酶的构象。

负超螺旋构象有利于DNA两条链的解开。Topo Ⅱ的作用，在复制起始时，在复制起始点引入负超螺旋；在复制过程中，使复制叉前方解旋产生的正超螺旋扭曲得以松弛，从而促进DNA双链的解开。

2. DNA解链酶（DNA helicase）

其作用是解开DNA双链，此时需要ATP提供能源。解链酶有多种，包括大肠杆菌解链酶Ⅱ、大肠杆菌解链酶Ⅲ、大肠杆菌Rep蛋白等。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′方向移动。Rep蛋白在初发现时被称为复制蛋白Rep，后来发现它在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。

3.单链DNA结合蛋白（single strand binding protein，SSB）

DNA复制是以单链为模板的，但是DNA双螺旋局部解链后，由于碱基互补关系的存在，又很容易自发复性，重新结合形成双链状态。细胞内存在一种单链DNA结合蛋白，双链DNA一旦解开，即被SSB所结合，以稳定DNA解开的单链，阻止复性和保护单链区段不被核酸酶降解。

2.2.2 引物酶

复制叉是 DNA合成的生长点，双链 DNA解链形成复制叉， dNTP并不能立即通过碱基互补关系，结合于模板链相应的碱基上。只能在引物3′-OH的存在时连接下一个核苷酸。所以当DNA复制开始时，首先需要合成一短链RNA作为合成DNA的引物（primer），催化RNA引物合成的是一种RNA聚合酶，但它又不同于催化转录过程的RNA聚合酶，因而称为引物酶（primase）。它是一种特殊的RNA聚合酶，可催化短片段RNA的合成。这种短RNA片段一般含有十几个至数十个核苷酸不等，它们在DNA复制起始处作为引物。RNA引物的3（末端提供了由DNA聚合酶催化形成DNA分子第一个磷酸二酯键的位置。

2.2.3 DNA聚合酶

DNA聚合酶（DNA polymerase，DNA pol）是以 DNA为模板， dNTP为底物，催化合成与模板DNA互补的DNA的一类酶，也称依赖DNA的DNA聚合酶（DNA-dependent DNA polymerase）。DNA聚合酶的反应具有以下特点：①以四种脱氧核苷三磷酸作底物；②反应需要接受模板DNA的指导；③反应需要有引物3′-OH的存在；④新生的DNA链的生长方向为5′～3′；⑤产物DNA的性质与模板DNA相同。这些特点说明DNA聚合酶合成的产物正是模板DNA的复制物。

1.DNA聚合酶Ⅰ（DNA pol Ⅰ）

DNA聚合酶Ⅰ的相对分子质量为109 000，是一条含有一个锌原子的多肽链。DNA polⅠ是一个多功能酶。①DNA聚合酶活性。可通过核苷酸聚合反应使DNA链沿5′→3′方向延伸，但只能催化约20个核苷酸，这说明它不是真正在复制延长过程中起作用的酶。②3′→5′核酸外切酶活性。即能从DNA链3′端开始沿3′→5′方向进行水解反应，产生5′-单核苷酸。在DNA复制时，当3′端出现错配的碱基时， DNA pol I的3′→5′外切酶活性能识别并切除错配的碱基，纠正复制过程中的错误，以保证DNA复制的正确性。这就对DNA的复制起到了校对的作用。③5′→3′核酸外切酶活性。作用于双链DNA的碱基配对部分，从5′端水解下核苷酸或寡核苷酸。因此该酶被认为是在切除由紫外线照射而形成的嘧啶二聚体上起重要作用。DNA半不连续合成中，冈崎片段5′端RNA引物的切除，可能也依赖于这个外切酶的活性。

根据DNA pol I的作用性质认为该酶的主要作用是对复制中的错误进行校读，填补冈崎片段间的空隙以及DNA损伤的修复。

2.DNA聚合酶Ⅱ和DNA聚合酶Ⅲ

由于DNA聚合酶I的催化特点，表明它在细胞内的作用可能不是主要用于催化DNA的聚合反应。经过进一步的研究，人们又发现了DNA聚合酶Ⅱ和DNA聚合酶Ⅲ。DNA聚合酶Ⅱ（DNA polⅡ）是一种含多个亚基的酶，具有5′→3′DNA聚合酶活性及3′→5′外切核酸酶活性，但没有5′→3′外切酶活性。研究表明，DNA聚合酶Ⅱ也不是一种复制酶，它在生物体内的功能尚不是很清楚，可能是在DNA损伤时起修复作用。

DNA聚合酶Ⅲ（DNA pol Ⅲ）的结构相对比较复杂，由10个亚基组成，分别为α、β、γ、δ′、ε、θ、τ、χ及φ，各亚基之间很容易解离（图2-6）。α、θ和ε三种亚基构成了整个DNA pol Ⅲ全酶的核心酶，兼有核苷酸的聚合和3′→5′核酸外切酶的活性。DNA polⅢ催化的聚合反应具有高度连续性，可以沿模板连续地移动，一般在加入5 000个以上的核苷酸之后才脱离模板，因此其催化的聚合反应速度快，大约每秒可逐个加入1 000个脱氧核苷酸，加上各亚基的协同作用，在快速的基础上还保证了复制的正确性，所以DNA polⅢ才是原核生物细胞内真正起复制作用的酶。

2.2.4 DNA连接酶

DNA连接酶（DNA ligase）能催化双股DNA中一股缺口的3′-OH与5′-磷酸形成磷酸二酯键，使缺口两侧的DNA片段得以连接，此反应需要ATP参与。在DNA半不连续复制过程中，模板链是连续的，新合成的随从链是不连续的，其片段之间的缺口需要DNA连接酶来连接。连接酶不能连接单独存在的DNA单链，只能连接碱基互补基础上的双链中的单链缺口。它不仅在复制中起最后连接缺口的作用，而且DNA修复、重组、剪接过程留下的缺口，均由连接酶连接封闭。

2.3 基因的复制过程

2.3.1 复制的基本过程

DNA的复制大致分为三个阶段，即复制的起始、DNA链的延长和复制的终止。DNA复制过程十分复杂，但基本上都包括：①DNA②RNA引物的合成；③DNA链的延长；双链间氢键断裂，双链解旋；④切除引物，填补缺口，连接相邻DNA片段；⑤切除和修复错配碱基。

1.复制的起始

1）起始复合物（initia tion complex） 的形成

复制起始点的 需多种蛋白因子 同辨认，不 生物所需要的因子不同。大肠杆菌的复制起始点由DnaA蛋白识别。大肠杆菌oriC内有两个区域在复制起始中起关键作用，一处是含有4个9核苷酸的重复结构，另一处是3个富含AT的13核苷酸的重复序列。DnaA与oriC中9核苷酸重复序列结合形成含有20～30亚基的起始复合物。与9核苷酸重复序列结合的DnaA可促使oriC中的13核苷酸重复序列局部发生解链，形成解链复合物。此过程需有ATP参与。

2）引发前体的形成

与9核苷酸重复序列结合的DnaA引导DnaB/DnaC复合物进入局部解链区，形成引发前体复合物。

3）解链酶解链

引发前体复合物中的DnaB是一种解链酶，其能使双链DNA进一步解链。解链是一种高速的反向旋转，其下游势必发生打结现象，此时DNA拓扑异构酶Ⅱ可起到活节作用并促进复制叉的不断解链。双链解开后，SSB结合到开放的单链上，起稳定和保护单链模板的作用。

4）引物的合成

高度解链的模板与蛋白质的复合体促进RNA引物合成酶加入进来，组合成引发体（primosome）。然后引物酶以4种 NTP为原料，以解开的DNA链为模板，按5′→3′方向合成RNA引物，引物上有游离的3′-OH，成为进一步合成DNA的起点。因为引发体移动方向与复制叉进行方向相反，所以RNA引物只能是一些很短的片段。

5）DNA聚合酶Ⅲ的（亚基辨认引物

在DNA聚合酶催化下将第一个脱氧核苷酸加到引物的3′-OH上，形成磷酸二酯键，新DNA链的合成即已开始。复制起始后，有关的酶在链上构成复制体。

2.DNA链的延长

DNA的合成开始于RNA引物的3′-OH末端，按碱基互补规律，在DNA聚合酶的作用下，以5′→3′方向逐个加入脱氧核苷酸，使DNA链得以延长。

在DNA复制中催化链的延长，DNA pol Ⅲ起主要作用，但DNA pol I也是必需的。前导链的合成较为简单，在合成的引物3′-OH末端上，由DNA pol Ⅲ催化5′→3′方向的聚合反应，随着复制叉的前进，连续地进行DNA链的延长。因此，前导链的合成方向与复制叉前进的方向一致，DNA链的合成是连续的。

随从链的合成较为复杂，随着复制叉的行进，必须反复地合成RNA引物，然后在其3′-OH末端进行脱氧核苷酸的聚合反应，延长DNA片段。其基本方式是，在RNA引物的3′-OH末端上，首先由DNA pol Ⅲ催化DNA片段的合成，当此片段接近前方的片段时，由DNA pol I的5′→3′外切酶活性切除RNA引物，造成片段间的间隙，继而由DNA pol I催化进行5′→3′方向的聚合反应，填补了片段间的间隙，使新合成的片段接近前方的片段。所以DNA pol Ⅲ和DNA pol I互相配合，各自发挥其聚合活性和外切酶活性，使随从链得以合成出许多相邻的DNA片段。最后由DNA连接酶通过生成磷酸二酯键将两个相邻的片段连接起来，封闭缺口，成为完整的随从链。此过程需要ATP做能量。

3.复制的终止

复制的终止与DNA分子的形状有关。对线性DNA，当复制叉到达分子末端时，复制即终止。一般说来，DNA链复制的终止不需要特定的信号。对于环状DNA分子，两个复制叉或在离原点180 °处相遇，即同时到达一个部位；或在一个特定部位相遇，即一个复制叉在此处停止，“等待”另一个移动较慢或需移动较长距离的复制叉，这意味着有一个特异的终止信号。

大肠杆菌的两个复制叉的汇合点就是复制终点（termination of replication），一般位于距离复制起始点oriC约270 bp区的中心。在此区中包含有5个终止区（ter），其核心序列是GTGTGGTGT，它们可以和Tus蛋白结合，阻止解链酶的作用，导致复制的终止。

2.3.2 复制的保真性

DNA复制的保真性，或称忠实性（fidelity），是指复制过程中合成新链的碱基序列与模板链具有高度的互补性，使子代DNA分子的结构（碱基序列）与亲代DNA完全相同，从而使亲代DNA的遗传信息真实不变的传递到子代DNA分子中。

一般情况下，复制中产生的误差率只有10 -9，即复制10亿个核苷酸才有可能产生一个错误配对。DNA复制的保真性有赖于以下因素的作用：

1.复制中严格的碱基选择

DNA聚合酶对模板的依赖性，是子链与母链能准确配对，使遗传信息得以延续和传代。碱基配对的关键又在于氢键的形成，以G-C 3个氢键，A-T以2个氢键维持配对，错配碱基之间难以形成氢键。同时，DNA pol Ⅲ对核苷酸有选择功能，在核苷酸聚合之前或在聚合当时，酶就可以控制碱基的正确选择。

2.DNA聚合酶的校正功能

DNA聚合酶的一个主要特征是它不能催化两个游离的脱氧核苷酸，而只能把一个核苷酸单位加到已有引物链的3′-OH上。如果在引物3′端和模板碱基出现错误配对，那么DNA聚合酶立即停止前进，并激活其3′→5′外切酶活性，将错误配对的核苷酸从引物3′端切除。只有引物3′端重新出现正确配对时，才继续合成DNA。因此，DNA复制过程中，DNA聚合酶总是“先校正、后合成”，以保证聚合反应产物的正确性和忠实性。

3.RNA引物的作用

DNA聚合酶在开始催化合成之前，必须用引物来检验3′端的碱基配对是否正确。如果没有引物链，DNA聚合酶就不能做出上述判断，所以DNA聚合酶没有引物就不能从头合成。

在转录过程中，RNA聚合酶就不需要“自我校正”，因为合成RNA所产生的错误不会影响子代，即使有一个偶然产生的缺陷，其转录产物也无关紧要。所以，RNA聚合酶能从头合成RNA，而不需要引物。转录和翻译的错误率一般都在10 -4左右。

2.4 真核生物染色体基因复制的特点

2.4.1 真核生物染色体基因复制的特点

真核生物比原核生物复杂得多，但DNA复制的基本过程比较相似，其主要特征在于：

1）与原核生物不同，真核生物的DNA复制有许多起始点，如人染色体上平均有100个起始点，其上有200个复制叉进行复制。因此，虽然真核生物DNA复制的速度（50核苷酸/s）比原核生物DNA复制的速度（K.coli 1700核苷酸/s）慢得多，但复制完全部基因组DNA也只需要几分钟的时间。

2）真核生物参与DNA复制的DNA聚合酶及蛋白因子与原核生物不同。在真核生物的DNA复制叉处，需要两种不同的酶。DNA pol α及DNA polδ。DNA pol α和引物酶紧密结合，在DNA模板上先合成RNA引物。DNA pol（催化前导链和随从链的合成，增殖细胞核抗原（PCNA）参与其作用。DNA polδ有3′→5′外切酶活性，故有校正功能。DNA polγ是线粒体真正的复制酶。

3）真核生物DNA复制过程中的引物及冈崎片段的长度均小于原核生物，动物细胞中的引物约为10个核苷酸，而原核生物中则可高达数十个；真核生物中冈崎片段约有100 ～200个核苷酸，而原核生物中则可高达1 000～2 000个核苷酸。

4）真核细胞在复制时，还同步合成组蛋白，形成核小体。

5）真核生物染色体在全部复制完成以前，各个起始点上不能再开始下一轮的DNA复制，真核生物的复制只发生在细胞周期的特定时期，即合成期（S期）。而在快速生长的原核生物中，在起始点上可以连续开始新的DNA复制。

6）由于真核生物的染色体是线性 DNA，它的两端叫做端区（telomeres），端区是由重复的寡核苷酸序列构成的。所有生物DNA聚合酶都只能催化DNA从5′→3′的方向合成，因此当复制叉到达线性染色体末端时，前导链可以连续合成到头，而由于随从链是以一种不连续的形式合成冈崎片段，所以不能完成线性染色体末端的复制，这就是所说的端粒复制问题。如果这个问题不解决，真核生物在细胞分裂时DNA复制将产生5′末端隐缩，使DNA缩短。但真核生物体内都存在一种特殊的反转录酶叫做端粒酶（telomerase），它是由蛋白质和RNA两部分组成的，它以自身的RNA为模板，在随从链模板DNA的3′末端延长DNA，再以这种延长的DNA为模板，继续合成随从链（图2-7）。由此可见，端粒酶在保证染色体复制的完整性上有重要意义。

2.4.2 末端复制与端粒酶

在真核生物线形染色体的末端具有一种特殊的结构，称为端粒。端粒结构中存在核苷酸重复序列，一般在一条链上为Tx Gy，互补链为AχCy，x与y大约在1～4范围内。人的端粒含有TTAGGG重复序列（图2-8）。端粒DNA的平均长度随生物种类而不同，人的端粒随着细胞的持续分裂会缓慢缩短。

端粒具有特殊的生物学作用，不仅有保护DNA双链末端，免遭降解及彼此融合的功能，还存在一种特殊的复制机制，这种复制机制是由端粒酶来完成的。

端粒酶是一种由RNA和蛋白质组成的逆转录酶，催化端粒DNA的合成。此酶能够在没有 DNA模板的情况下，以自身的 RNA为模板，通过逆转录作用，延伸端粒内3（-末端的寡聚脱氧核苷酸片段。

2.5 基因的损伤与修复

DNA贮存着生物体赖以生存和繁衍的遗传信息，因此维护DNA分子的完整性对细胞至关重要。外界环境和生物体内部的因素都经常会导致DNA分子的损伤或改变，引起基因突变（gene mutation）。物种进化的根本原因就是基因突变和自然选择，同时基因突变又是导致衰老和疾病发生的原因。因此生物体经过千百万年的进化，建立起完整的DNA损伤修复机制，以保证遗传的稳定性，保证物种的繁衍。

2.5.1 基因突变或损伤分子改变类型

复制过程中发生的DNA突变称为DNA损伤（DNA damage）。生物体内外的许多因素都能造成DNA分子结构的损伤，如电离辐射、紫外线、烷化剂、氧化剂等。一种因素可能造成多种类型的损伤，一种类型的损伤也可能来自不同因素的作用。

1）错配 错配又称为点突变（point mutation），它可以是DNA在复制过程中随机发生的误差，也可以是化学诱变剂引起DNA链上碱基的置换。点突变如果发生在基因的编码区域，可引起表达产物——蛋白质多肽氨基酸残基的改变。

DNA序列中碱基的置换存在如下两种可能：

①转换 是指一种嘌呤或嘧啶碱基分别替换成另一种嘌呤或嘧啶碱基。

②颠换 是指一种嘌呤替换成另一种嘧啶或一种嘧啶替换成另一种嘌呤。

在人基因组中典型的点突变引起疾病的例子是红细胞功能的改变：正常人HbA（基因的第6号氨基酸密码子的编码碱基序列是CTC，一旦突变成CAC，仅一个碱基的改变，就导致相应的mRNA上的密码子由GAG变成GUG，使对应的（链上的第6号谷氨酸残基变成缬氨酸残基（图2-9）。这种血红蛋白称为HbS，其理化性质和携带氧气的功能与正常血红蛋白HbA比较，发生了质的变化，使红细胞脆性增加，最终因严重溶血而导致贫血，即镰刀形红细胞贫血。

点突变的要害在于改变了氨基酸密码子的碱基序列。少数情况下，由于一些氨基酸的密码子有多个，虽然密码子发生碱基改变，但密码子所决定的氨基酸并不改变，因此突变后并不改变蛋白质氨基酸的排列顺序，此突变也称为同义突变（synonymous mutation）。

2）缺失或插入DNA碱基序列中，缺失或插入一个碱基，将引起DNA序列的

在阅读框改变，此种突变称移码突变或框移突变，即改变了三联体密码的阅读框架，造成蛋白质氨基酸排列顺序在突变位点以后全部发生改变，结果是翻译出的蛋白质与原基因表达产物完全不同（图2-10）。如果缺失或插入的核苷酸是连续3个或3n个，则不一定能引起移码突变。

3）重排

重组或重排是指DNA分子内发生较大片段的交换。移位的DNA片段可以在新位点上颠倒方向反置（倒位），也可以在染色体之间发生交换重组。许多生物都有可移动的DNA片段，长达数百个到数千个碱基对，成为转座子。转座子以转座、插入到染色体的其他区域，整合到DNA中，导致基因失活或DNA高级结构改变，发生突变。这些DNA片段的插入，不仅会引起移码突变，还会导致插入基因的中断和失活，甚至带入某些有害基因，增加基因突变的频率。

2.5.2 DNA损伤与修复

环境中的某些物理化学因素如辐射、紫外线、化学诱变剂等都可引起DNA结构损伤，其中重要的有以下几种：

1）碱基的异构互变 DNA中的4种碱基各自的异构体间都可以自发地相互变化（例如烯醇式与酮式碱基间的互变），这种变化会使配对碱基间的氢键发生改变，可使腺嘌呤能配上胞嘧啶、胸腺嘧啶能配上鸟嘌呤等，如果这些配对发生在 DNA复制时，就会造成子代DNA序列与亲代DNA不同的错误性损伤。

2）碱基的脱氨基作用 碱基的环外氨基有时会自发脱落，从而胞嘧啶会变成尿嘧啶、腺嘌呤会变成次黄嘌呤（H）、鸟嘌呤会变成黄嘌呤（X）等。如果此变化得不到修复，则DNA复制时，C：G配对将变成U：A配对，导致子代DNA序列的错误变化。胞嘧啶自发脱氨基的频率约为每个细胞每天190个。

3）脱嘌呤与脱嘧啶 自发的水解可使嘌呤和嘧啶从DNA链的核糖磷酸骨架上脱落下来。一个哺乳类细胞在 37℃条件下，20 h内DNA链上自发脱落的嘌呤约1 000个、嘧啶约500个。估计一个长寿命不复制繁殖的哺乳类细胞（如神经细胞）在整个生活期间自发脱嘌呤数约为108个，约占细胞DNA中总嘌呤数的3 %。

4）碱基修饰与链断裂 细胞呼吸的副产物02、H2 O2等会造成DNA损伤，能产生胸腺嘧啶乙二醇、羟甲基尿嘧啶等碱基修饰物，还可能引起DNA单链断裂等损伤。每个哺乳类细胞每天DNA单链断裂发生的频率约为5万次。此外，体内还可以发生DNA的甲基化、结构的其他变化等，这些损伤的积累可能导致老化.

DNA损伤的修复方式主要有如下几种：

1）光修复（1 ight repairing）这是最早发现的DNA修复方式。修复是由细菌中的DNA光解酶（photolyase）完成的。此酶能特异性识别紫外线造成的核酸链上相邻嘧啶共价结合的二聚体，并与其结合，这步反应不需要光。结合后如受300～600 nm波长的光照射，则此酶就被激活，将二聚体分解为两个正常的嘧啶单体，然后该酶从DNA链上释放，DNA恢复正常结构。后来发现类似的修复酶广泛存在于动植物细胞中，人体细胞中也有发现。

2）切除修复 切除修复（excision repairing）是主要的修复方式。其作用机制是通过一种特殊的内切核酸酶将DNA分子中的损伤部分切除，同时以另一条完整的DNA链为模板，由DNA聚合酶Ⅰ催化填补被切除部分的空隙，再由DNA连接酶封口，使DNA恢复正常的结构。

DNA切除修复有两种方式：

①碱基切除修复 大肠杆菌中含有一种糖苷酶（glycosylase），其修复过程是：a.DNA糖基化酶识别受损的或错误的碱基，水解糖苷键，释出游离碱基，在DNA单链上形成无嘌呤或嘧啶的空位，称为AP部位（apurinic or apyrimidinic site）；b.特异的AP内切核酸酶在AP部位切开磷酸二酯键，再由外切核酸酶切下AP部位的核苷酸；c.DNA聚合酶I修补缺口；d.DNA连接酶接封口，完成修复过程。

②核苷酸切除修复 这种方式不同于碱基切除修复方式，被切除的不是单个碱基，而是受损伤的核苷酸片段。主要是借助一种UvrABC修复系统的作用而进行。DNA损伤时，其局部有一膨胀的变形区。首先由蛋白质UvrA及UvrB与变形区结合，并促使DNA局部解链。随之，UvrC蛋白再结合到损伤部位的复合物上，在其相邻的12个核苷酸间距的两端被切断，在解链酶作用下，损伤部位的12个核苷酸片段经解链而脱落。接着在DNA聚合酶Ⅰ作用下补充空缺，最后连接酶完成全部修复过程（图2-11）。修复完毕，UvrA、B、C被蛋白酶水解。这是细菌中较为普遍的修复方式，也是哺乳动物主要的修复方式。

3）重组修复 当DNA分子的损伤面较大，还来不及修复就进行复制时，可利用重组过程进行修复（图2 -12）。通过重组过程后， DNA损伤仍可能保存下来，但随着多次复制及重组修复（recombina-tion repairing），损伤链所占比例越来越少，不影响细胞的正常功能。重组修复的酶有多种，其中最重要的是recA基因编码的recA蛋白。

4）SOS修复 SOS修复（SOS repairing）是一种应急修复机制，当DNA分子受到严重损伤时，细胞处于危险状态，正常修复机制均已被抑制，此时只能进行SOS方式的修复。

在进行这种修复的时候：①细胞内原有的修复酶（切除修复、重组修复）合成量增加；②诱导产生新的修复酶（SOS聚合酶）来修复损伤部位。SOS修复与其他修复方式不同，它采取越过胸腺嘧啶二聚体（T-T）的方式使DNA复制得以继续进行。但是它容易造成复制差错（即可能造成碱基对错配），所以又被称做差错倾向复制（errorprone repair），可以导致基因的突变。

2.6 基因的传递

细胞分裂是个体生长和生命延续的基本保证，没有细胞分裂便谈不到生物的遗传、进化和生命的存在。象细菌这样的原核类，体细胞和生殖细胞不分，细胞的分裂就是个体的增殖。而在高等生物中，由两个配子结合而成的合子是单个细胞，单个细胞长成胚，最后长成一个成熟的个体，就是由一个细胞分成两个，两个分成4个，最后成为具有亿万细胞的个体。例如成人身体的1014个细胞就是由单个细胞——受精卵分裂而来的。

细胞的增殖是通过有丝分裂（mitosis）来完成的。

2.6.1 有丝分裂

有丝分裂是一个连续的过程。但为说明方便，通常分为间期、前期、中期、后期和末期。

1.间期（interphase）

通常讲的细胞核的形态和结构，都是指的间期核。间期是细胞分裂的准备时期，主要进行DNA和蛋白质等的合成，储存能量。间期看不到染色体，只能看到染色质的网状结构。间期又可细分为三个时期，即合成前期（G1），这时没有 DNA合成；进入合成期（S）时DNA才开始合成，也就是染色体开始复制；然后是合成后期（G2）。核体积增大，核内RNA活性和细胞质粘滞性增加，是细胞转化为分裂细胞的标志。间期结束后，进入分裂期（M）的前期。

2.前期（prophase）

前期是细胞分裂的开始，前期染色体是由两条完全相同的染色单体连接而成的，从早前期到晚前期染色体不断螺旋化缩短变粗。在动物和低等植物中，核旁的两个中心粒向相反的方向移动，纺锤体（spindle）形成的有关结构出现；高等植物中缺少中心粒。核膜破裂、核仁解体是前期结束的标志。

3.中期（metaphase）

中期开始时，核膜崩解，核质与胞质混合。纺锤体的细丝——纺锤丝与染色体的着丝粒区域连接。染色体向赤道面移动，着丝粒区域排列在赤道板上。这时染色体的数目和形态特征最为明显中期结束的标志是着丝粒的分裂，使相连的染色单体分离，开始向两极移动。

4.后期（anaphase）

分离开的染色单体向两极移动，子染色体到达两极时此期结束。

5.末期（telophase）

两组子染色体到达两极标志末期的开始。然后，在两极位置重建核膜，染色体螺旋结构逐渐消失，又回复到前期状态，核仁再现。

从前期到末期合称为分裂期。

两个子核形成后，接着便发生细胞质的分割过程。动物细胞的胞质分裂是以缢缩和起沟方式完成的；植物细胞的胞质分裂是靠细胞板的形成而完成分裂，形成两个细胞。

有丝分裂前期时，每个染色体的两条染色单体在体积和形态上一模一样，所以末期时两个子细胞的染色体在数目和形态上也完全一样。所以，有丝分裂保证细胞内染色体精确地分配到子细胞中，从而维持遗传的稳定性。

2.6.2 减数分裂（meiosis）

减数分裂又称为成熟分裂，是有性生殖的生物形成性细胞过程中的一种特殊的有丝分裂形式。这一过程的特点是：连续进行两次核分裂，而染色体只复制一次，结果形成四个核，每个核只含有单倍数的染色体，即染色体数目减少一半。另外一个特点是，前期特别长，而且变化复杂，其中包括相同染色体的配对、交换与分离等。构成减数分裂的两次连续分裂，通常称为减数第一次分裂（Ⅰ）和第二次分裂（Ⅱ）。

整个过程可分为下列几个时期：

第一次减数分裂

前期Ⅰ

细线期（leptotene）

偶线期（zygotene）

粗线期（pachytene）

双线期（diplotene）

浓缩期（diakinesis）

中期后期Ⅰ

末期Ⅰ

间期Ⅰ

第二次减数分裂

前期中期Ⅱ

后期Ⅱ

末期ⅡⅡ

1.细线期 染色体呈细线状盘绕成团，此时已经复制完成，应由两条染色单体组成，但还看不出双重性。

2.偶线期 染色体的形态与细线期几乎相同。主要特点是同源染色体（homologous chromosomes）开始配对，在两端先行靠拢配对，或者在染色体全长的各个不同部位开始配对，最后扩展到整个染色体。配对是专一性的，只能在同源染色体间进行。同源染色体是指大小、形态结构基本相同，遗传功能相似，在减数分裂中可以联合配对的染色体。其中一条来自父本，一条来自母本。结果是使细胞中的染色体由2n条单价体变成n条二价体。

3.粗线期 两条同源染色体配对完毕，染色体继续缩短变粗。到粗线期最后可以看到每一染色体的双重性。每一染色体含有两条染色单体，互称为姊妹染色单体（sister chromatids），因此，双价体就含有4条染色单体。对其同源染色体的另两条来说，则互称为非姊妹染色单体。粗线期非姊妹染色单体间可发生交换，产生遗传重组。从外部来看是4条染色单体相互绞扭在一起。

4.双线期 染色体进一步缩短，组成二价体的两条同源染色体表现相斥而分离，但分开不完全，在两个同源染色体之间仍有若干处发生交叉而相互连接。当进一步分开时，交叉逐渐向染色体臂端移动，这种现象称做交叉端化（terminalization of chiasmata）。同时，染色体也跟着缩短变粗，螺旋化程度加深。

5.浓缩期 又叫终变期，染色体进一步螺旋化而集缩至最短，分散在核膜附近，完成端化；核膜与核仁开始消失，这时是观察和鉴别染色体的最佳时期。

6.中期Ⅰ 该期主要特征是核膜完全消失和纺锤体形成。各个双价体排列在赤道面上，由纺锤丝把着丝粒连向两极。每个对应的染色体上各有一个着丝点，使染色单体联在一起，这与有丝分裂不同。两个同源染色体上的着丝粒开始逐渐远离，双价体开始分离，但仍有交叉联系着，不过交叉数目已经大为减少。

7.后期Ⅰ 双价体的一对同源染色体相互分离，开始向两极移动，这时每条染色体的两个染色单体因为共有一个着丝点或者说两条姊妹染色单体的着丝点作为一个功能单位而活动，所以一同移向两极。至于双价体中哪一条染色体移向哪一极，则完全是随机的。随着二价体的分开染色体数目减少了，但从DNA含量看还没有达到单倍体程度。

8.末期Ⅰ 核膜重建，核仁重新形成，接着进行胞质分裂，成为两个子细胞。染色体逐渐解开螺旋，纤丝折叠程度降低，又变成细丝状。末期Ⅰ与有丝分裂末期不同，末期Ⅰ染色体只有n个，但每个染色体具有两条染色单体；而有丝分裂末期的染色体有2n个，每个只有一条染色单体。

9.减数间期 在第一次分裂之末，两个子细胞进入间期，这时细胞核的形态与有丝分裂间期相似。但有许多生物，例如大多数动物进行减数分裂时，没有第一次末期和随后的间期，后期染色体直接进入第二次减数分裂的晚前期，染色体仍保持原有的浓缩状态。不过不论有没有一个间期，在两次减数分裂之间都没有DNA合成的S期，也没有染色体的复制。所以减数分裂间期跟有丝分裂间期很不相同。

10.前期Ⅱ-末期Ⅱ 前期Ⅱ历时很短，染色体呈线状，由两条染色单体组成。随着纺锤体的出现进入中期Ⅱ，染色体集缩排列在赤道面上，然后由于着丝粒分裂，促使姊妹染色单体分离，并向两极移动，标志着后期Ⅱ的开始。当两组染色单体达到两极后，染色体解集缩重建子核便走向第二次减数分裂的末期，它们在新核内即成为染色质，此后经过子核的建立和胞质的分裂，完成了减数分裂的全过程。

一次减数分裂的结果是形成了四个子细胞，每个子细胞中只有n个染色体，是最初性母细胞的一半。因为细胞分裂两次，染色体只复制一次。减数分裂在细胞遗传学上有重要的意义。通过减数分裂，配子染色体数目减少一半，经过受精及其随后的发育，后代又恢复了亲代的染色体数目，从而使不同生物类型的染色体数目和遗传性状保持了相对稳定。同时，通过非姊妹染色单体的交换，非同源染色体的重新组合，导致变异的发生，为生物界的遗传和进化准备了材料，为动植物育种提供了新的基因资源。

2.7 遗传与运动选材

实践证明，只有那些具有天赋的运动员，才能攀上世界的顶峰。所谓运动员科学选材，是根据不同运动项目的特点和要求，用科学的、先进的手段和方法，通过客观指标的测试，全面综合评价和预测，把先天条件优越，适合从事某项运动的人从小选拔出来，进行系统培养，并且不断地监测其发展过程。这个过程的核心是预测。没有预测，就没有选材。

在过去相当长的一段时间里，我国基本上是凭教练员的经验，根据比赛中的成绩进行运动员选材的。这势必造成成材率低，人、财、物力的浪费。20世纪70年代中期，上海体育科学研究所等从研究青少年儿童运动员身体生长发育规律入手，对生长发育与科学选材关系进行了较全面深入的研究，已形成较为系统的理论。20世纪80年代初，原国家体委组织了几项大规模的研究课题（《优秀青少年运动员科学选材》和《儿童少年运动员选材标准的研究》等，获得了大量的指标数据，为我国青少年运动员科学选材提供了广泛的科学依据。此外，科研工作者还从运动员身体形态、机能、素质、心理以及遗传等不同方面进行了大量的科学选材研究，为运动员科学选材实践提供了广泛的理论依据和实际应用方法。

在世界上许多国家，如前苏联、东欧、美国等竞技体育水平均处于世界领先地位，这与其对运动员运动能力的研究与挖掘的重视及较高的研究水平密不可分。尽管美国等西方国家主要是以“自愿原则”自然选拔，但在运动员科学选材方面，不仅探讨不同项目运动员身体形态、生理机能、生物力学及心理学方面的特征，而且进行运动员不同运动能力的遗传特征和家族聚集性研究。尤其是20世纪90年代以来，运动员选材的研究深入到分子遗传学领域，探讨具有不同运动能力者相关基因的分布特征、基因表达状况以及对运动训练的适应性等问题。总之，随着竞技运动水平的不断提高，科学选材的基础——人体运动能力的遗传性已经越来越被人们所重视。

组成运动能力的性状，无论是形态、生理还是素质性状，绝大多数均属数量性状，由多基因控制。在向后代传递过程中，由于微效基因的累加效应、基因传递与表达方式以及环境等因素的影响，可使运动能力性状发生不同程度的变异。因此，运动能力的遗传与变异具有连续性和相关性特征。在我国及世界许多国家中出现了体育世家现象。有研究发现，在运动能力的遗传中，只要具有卓越运动才能的亲代不是极端个体，其子代不但有50 %以上的人具有优越的运动才能，而且还可能出现超越亲代的个体。此外，控制运动能力的基因有多效性，同时在向后代传递过程中又具有连锁性，从而使基因与性状纵横相关，它们之间既能相互促进，又可相互制约。研究发现，从选用足长、头围等形态指标预测身高，从体型到运动项目特点，从肌纤维类型、最大耗氧量等机能指标与身体素质的关系，以及从皮纹、血型甚至额部发际参差状况与人体运动能力、适宜运动项目之间的关系等等，研究均充分体现了基因与性状的关联（表2-3、2-4）。

同卵双生子由于其具有几乎完全相同的基因组，所以一直都是研究运动与遗传相关性的极好研究对象。Bouchard等于1986年对于同卵双生子和同胞兄弟姐妹对运动训练的适应能力进行研究，发现同卵双生子在进行相同的有氧或无氧运动训练时，其适应能力相似，而非双生子的兄弟姐妹的适应能力不尽相同。该研究组1995又开展了一项涉及基因对运动训练适应性影响的大规模调查研究，共调查了来自99个家庭的484名白种人和来自105个家庭的黑种人。所有调查对象身体健康，但不常运动。在接受多项与体质和心血管疾病、糖尿病有关危险因素有关的检查后，对受试者进行运动训练和训练后的检测。标准化训练包括：在功率自行车上蹬车，每周3次，共20周。受试者在开始阶段以相当于55 %最大摄氧量的心率蹬车30 min。每隔2周，运动时间和强度均有所增加，最后8周蹬车时间达到50 min，强度相当于75 %最大摄氧量的心率。对于最大摄氧量来说，在许多家庭，其成员的最大摄氧量要么都低，要么都高，要么都中等，其中40 %归因于对遗传。同时运动训练也能造成变异，虽然最大摄氧量平均增加了19 %，但仍有5 %的受试者改变甚少或没有改变，而大约5 %增加了40 % ～50 %。而且各年龄段、各种族、各性别和各起始最大摄氧量组，对相同的运动训练，均有反应强烈、反应一般和反应低落三种情况出现。起始体质与训练后体质之间的关系并不密切，因为训练前后最大摄氧量的相关系数只有0.08。好象二者是由不同的基因所控制的。家庭成员对运动训练的反应也不一致，都有反应强烈、一般和微弱等情况。因此最大摄氧量在训练后产生变异中，有归因于遗传。基因确实影响一个人的基本遗传性状，也影响对运74%动训练、营养以及其它外界因素产生反应的速度和程度，在某项运动中能够迅速表现出运动能力的运动员，很可能具备夺冠的一些遗传基因所决定的必要条件。教练们可以根据运动项目的特点选拔符合条件的运动苗子。但根据现有的知识，还无法精确预测某人对训练的反应，也无法预测谁能够夺得冠军。而且对于运动项目中的某些方面，遗传基因却无能为力，比如技战术。虽然遗传背景能够影响一个人在某项体育运动中是否成功，但是这种背景太复杂，牵涉到许多基因、基因之间以及基因与外界因素之间的相互作用，目前还无法进行精确的运动员选材。

近年，随着分子生物学技术与理论的飞速发展，尤其是DNA重组技术的广泛应用，人们可以从基因水平上寻找决定人类运动能力的基因，在分子水平上探讨人体对长期训练的适应性变化，从而能更加科学而准确地评估个体的运动状态及运动潜力。由此可见，基因选材将成为未来运动员科学选材的主要研究内容。任何遗传分析都是以遗传标记为基础的，遗传标记是一类用来区分不同个体或群体，同时又能稳定遗传的某些物质。目前，新型遗传标记的研究已转向遗传物质本身——DNA分子。由于各种遗传信息都蕴藏于DNA分子中，生物个体之间的差异，本质上是DNA分子的差异。不仅DNA编码序列比相应的蛋白质有更多的变异，而且DNA非编码序列具有更广泛的多态性。限制性片段长度多态（RFLP）和单核苷酸多态（SNP）作为遗传标记有广阔的前途，其不仅可以用于遗传病的产前诊断、杂合子携带者的检出和亲子鉴定，还可以应用于运动能力相关基因的检测、天才运动员的基因组型鉴别以及基因在训练环境中的表达与变异状况的研究。