第34章 DNA的复制和修复
一、选择题
1．端粒酶属于（ ）。[华中农业大学2009研]
A．限制性内切酶
B．肽酰基转移酶
C．RNA聚合酶
D．逆转录酶
【答案】D
2．下列哪种酶或蛋白不是DNA复制所必需的？（ ）。[中国科技大学2008研]
A．拓扑异构酶
B．引物酶
C．DNA连接酶
D．DNA外切酶
【答案】D
3．下面哪些因素可防止DNA上的一个点突变表现在蛋白质的一级结构上？（ ）。[华东理工大学2002研]
A．DNA的修复作用
B．密码子的简并性
C．校正tRNA的作用
D．以上都正确
【答案】D
4．有关DNA复制的说明中，错误的是（ ）。[山东大学2001研]
A．半保留复制
B．半不连续复制
C．一般是定点开始双向等速复制
D．复制沿模板5＇→3＇方向进行
【答案】C
【解析】DNA复制时，每个分子都以它自己为模板，这种复制称为半保留复制构成DNA的两条核苷酸链是逆向平行，可是已知的DNA聚合酶只能以5＇→3＇方向合成DNA，所以一条链可以沿5＇→3＇方向连续进行复制，而另一条链则为半不连续复制。DNA的复制方向有单向的，也有双向的，DNA的双向复制一般来说是对称的，但也有例外，如枯草杆菌染色体DNA的复制虽是双向的，但是两个复制叉移动的距离不同。一个复制叉仅在染色体上移动五分之一距离，然后停下来等待另一个复制叉完成五分之四距离。质粒R6K两个复制叉的移动也是不对称的，第一个复制叉到达五分之一距离即停下来，从反方向开始形成第二个复制叉并完成其余部分的复制。
5．在DNA损伤修复中，哪一种修复可能导致高的变异率？（ ）[中国科学院2002研]
A．光修复
B．切除修复
C．重组修复
D．诱导修复
【答案】D
【解析】细胞内具有一系列起修复作用的酶系统，可以除去DNA上的损伤，恢复 DNA的正常双螺旋结构。目前已经知道有四种修复系统：光复活，切除修复，重组修复和诱导修复。后三种机制不需要光照，因此又称为暗修复。光复活、切除修复和重组修复能够识别DNA的损伤或错配碱基而加以消除，在它们的修复地过程中并不引人错配碱基，因此属于避免差错的修复。SOS反应能诱导切除修复和重组修复中某些关键酶和蛋白质的产生，使这些酶和蛋白质在细胞内的含量升高，从而加强切除修复和重组修复的能力。此外，SOS反应还能诱导产生缺乏校对功能的DNA聚合酶，它能在DNA损伤部位进行复制而避免了死亡，可是却带来了高的变异率。SOS的诱变效应与此有关。
6．在DNA复制过程中，由（ ）催化RNA引物的合成。[华南师范大学2003研]
A．DNA聚合酶I
B．DNA聚合酶II
C．DNA聚合酶III
D．RNA酶
E．引物合成酶
【答案】C
【解析】引物合成酶是一种特殊的RNA聚合酶，该酶以DNA为模板，催化一段RNA引物的合成，复制时在RNA引物的3＇-OH末端加上脱氧三磷酸核苷。
7．DNA复制中的引物是（ ）。[中国科学院病毒所2007&研华东理工大学2007研]
A．由DNA为模板合成的DNA引物
B．由RNA为模板合成的RNA引物
C．由DNA为模板合成的RNA引物
D．由RNA为模板合成的DNA引物
E．引物仍存在于复制完成的DNA链中
【答案】C
二、填空题
1．在DNA复制过程中，改变DNA螺旋程度的酶称为______。[华中科技大学2007研]
【答案】拓扑异构酶
【解析】拓扑异构酶可改变DNA的拓扑性质。在DNA复制时，拓扑酶可松弛超螺旋，还可以引入负超螺旋。
2．维持DNA复制的高度忠实性的最重要的机制是______。[南京大学2002研]
【答案】碱基配对
【解析】维持DNA复制的高度忠实性的机制主要有三个方面：①碱基配对；②DNA聚合酶的校正功能；③复制后的甲基化指导的错配修复。其中，碱基配对是基础。
3．DNA复制时与DNA解链有关的酶和蛋白质有______、______和______。[华南理工大学2006研]
【答案】拓扑异构酶；解旋酶；SSB
4．原核生物DNA聚合酶除了具有DNA聚合酶的功能外，还具有______的功能。[华东理工大学2002、2003研]
【答案】3＇→5＇核酸外切酶
5．大肠杆菌的DNA聚合酶有三种，其中______是最先被发现的，______主要负责复制，______主要负责修复。[南京工业大学2003研]
【答案】DNA聚合酶I；DNA聚合酶III；DNA聚合酶II
6．端粒的简单串联重复DNA合成由______酶负责。[中山大学2005研]
【答案】端粒
7．在一个DNA的复制叉中，一条链是连续合成的，称为______链；另一条链的合成是不连续的，称为______链。[山东大学2002研]
【答案】前导；随从
三、判断题
1．原核生物DNA通常只有一个复制起点，而真核生物DNA通常有多个复制起点。（ ）[中山大学2009研]
【答案】对
2．滚环式复制是噬菌体在细菌中最常用的一种DNA复制方式。（ ）[南京大学2007研]
【答案】对
3．DNA复制时只有一条链作为模板参与复制。（ ）[中国科学院病毒所2008研]
【答案】错
4．DNA复制时，前导链的合成方向是5＇→3＇，随从链的合成方向是3＇→5＇。（ ）[四川大学2008研]
【答案】错
5．DNA复制时，前导链可以连续合成，也可以不连续合成，而随从链一定是不连续合成的。（ ）[华东理工大学2002研]
【答案】对
6．紫外辐射引起的DNA损伤可通过光复活作用修复。光复活酶虽然在生物界分布很广，从低等单细胞生物直到鸟类都有，但在高等哺乳类中却没有此酶。（ ）[浙江大学2002研]
【答案】对
7．DNA复制与DNA修复一样，都是从5＇→3＇方向进行的。（ ）[东南大学2002研]
【答案】对
8．当完整环状双螺旋DNA在某一部位分开时，分子的其他部分会引入负的超螺旋。（ ）[武汉大学2003研]
【答案】对
四、名词解释题
1．复制叉（replication fork）[中国科学院水生所、南京农业大学2007研]
答：复制叉（replication fork）是指DNA复制时，在DNA链上通过解旋、解链和SSB蛋白的结合等过程形成的Y型结构。在复制叉处作为模板的双链DNA解旋，同时合成新的DNA链。
2．端粒酶（telomerase）[四川大学2007研]
答：端粒酶（telomerase）是一种自身携带模板的逆转录酶，由RNA和蛋白质组成，RNA组分中含有一段短的模板序列与端粒DNA的重复序列互补，而其蛋白质组分具有逆转录酶活性，以RNA为模板催化端粒DNA的合成，将其加到端粒的3＇端，以维持端粒长度及功能。
3．逆转录（reverse transcription）[南京农业大学2008研]
答：逆转录（reverse transcription）又称反转录，是以RNA为模板合成DNA的过程，是RNA病毒的复制形式，需要逆转录酶的催化。此过程中核酸的合成与转录过程与遗传信息的流动方向相反。逆转录是对中心法则的修正和补充。
4．切除修复（excission repairing）[华东师范大学2007研]
答：切除修复（excission repairing）又称核苷酸外切修复，是一种恢复紫外线等辐射物质所造成的损伤部位的暗修复系统。此系统是在几种酶的协同作用下，先在损伤的任一端打开磷酸二酯键，然后外切掉一段寡核苷酸，留下的缺口由修复性合成来填补，再由连接酶将其连接起来。
5．冈崎片段（Okazaki fragment）[华东理工大学＆东南大学2002研]
答：冈崎片段（Okazaki fragment）是指在DNA不连续复制过程中，沿着后随从链的模板链合成的一组新的短DNA片段。其长度在真核与原核生物当中存在差别，真核生物的冈崎片段长度为100～200个核苷酸残基，而原核生物的长度为1000～2000个核苷酸残基。这些新的短DNA片段随后又被连接酶连接形成较长的片段。冈崎片段的发现为DNA复制的科恩伯格机理提供了依据。
五、问答题
1．DNA复制起始过程如何受DNA甲基化的影响？[华中科技大学2007研]
答：亲本DNA通常发生种属特异的甲基化。在复制后，两模板一复制体双链DNA是半甲基化的。半甲基化DNA对膜受体比对DNase A有更高的亲和力。半甲基化的DNA不能复制，从而防止了在成熟前复制。
2．简要说明DNA在复制开始时，需要一段RNA引物的生物学意义。[南京农业大学2008研]
答：DNA的合成必需3＇-OH，也就是说核苷酸必须要连接在3＇-OH上才能够合成延伸，RNA引物具有提供3＇-OH的作用。RNA引物形成后，由DNA聚合酶III催化，将第一个脱氧核苷酸按碱基互补原则加在RNA引物3＇-OH端而进入DNA链的延伸阶段。
3．DNA半保留复制是如何用实验证明的？[清华大学1999＆华东理工大学2002研]
答：利用氮的同位素15N标记大肠杆菌DNA。先让大肠杆菌在以15NH4Cl为唯一碳源的培养基中进行生长，连续培养12代，使DNA分子标记上15N。15N-DNA比普通14N-DNA密度大，用氯化铯密度梯度离心时将形成不同的区带。若把15N标记的大肠杆菌转移到普通培养基（含14N氮源）中培养，经过一代后，所有DNA分子密度都介于15N-DNA和14N-DNA之间，即形成了杂交分子。两代以后，15N和14N-15N等量出现，若继续培养，将看到N-DNA分子增多。当把14N-15N杂合分子加热时，它们分开成为14N和15N链。这就充分证明了DNA分子的半保留复制方式。
六、论述题
1．什么是DNA损伤？生物体DNA损伤与哪些因素有关？生物细胞有哪些机制来处理DNA损伤，并进行DNA损伤修复？[武汉大学2009研]
答：（1）DNA损伤是指由辐射或药物等引起的DNA结构的改变，包括DNA结构的扭曲和点突变。外界环境和生物体内部的因素都常会导致DNA分子的损伤或改变。这些因素有：
①DNA分子的自发性损伤，包括DNA复制中的错误、DNA的自发性化学变化（碱基的异构互变、碱基的脱氨基作用、脱嘌呤与脱嘧啶氨基作用、碱基修饰与链断裂等）；
②物理因素引起的DNA损伤，如紫外线、电离辐射等可以引起的DNA损伤；
③化学因素引起的DNA损伤，如烷化剂、碱基类似物、修饰剂等都可以引起DNA的损伤。
（2）DNA复制过程中会发生错误，这可以由DNA聚合酶来修正。DNA的修复机制有光修复、切除修复、重组修复、SOS修复等。
①光修复是通过光修复酶催化而完成的，在可见光激活后，嘧啶二聚体分解为原来的非聚合状态，使DNA完全恢复正常；
②切除修复是指对DNA损伤部位先行切除，继而进行正确的合成，补充被切除的片段，包括碱基切除修复和核苷酸切除修复两种方式；
③重组修复，当DNA分子的损伤面较大，还来不及修复完善就进行复制时，损伤部位因无模板指引，复制出来的新子链会出现缺口，这时就靠重组蛋白RecA的核酸酶活性将另一股健康的母链与缺口部分进行交换，以填补缺口；
④SOS修复，当DNA受到严重损伤时，RecA以其蛋白酶的功能水解破坏LexA，从而诱导了十几种SOS基因的活化，促进了此十几种修复蛋白的合成，以此方式应激诱导修复。
2．参与DNA复制的酶哪些？各有何作用？[南京农业大学2002研]
答：参与DNA复制的酶有：
（1）DNA聚合酶：以DNA为模板，以四种dNTP为底物，催化新链不断延长，合成起始时需要引物提供3＇-OH。脱氧三磷酸核苷的α-磷酸基与3＇-OH反应，生成3＇，5＇-磷酸二酯键。此外，DNA聚合酶还有核酸外切酶活性。
（2）解旋、解链两类：包括解链酶、拓扑异构酶和单链DNA结合蛋白。
①解链酶能使碱基对之间的氢键解开。每解开一对碱基，需消耗2个ATP。
②拓扑异构酶：能松弛超螺旋，克服扭结现象。拓扑异构酶I在不需ATP的条件下，能断开DNA双链中的一股，使DNA分子变为松弛状态，然后切口再封闭。拓扑异构酶II能同时断开双股链，使其变为松弛状态，然后再将切口封闭，在利用ATP时，还可以便松弛状态的DNA分子变为负螺旋结构。
③单链DNA结合蛋白：保持模板处于单链状态，便于复制，同时还可防止复制过程中单链模板被核酸酶水解。
（3）引物酶：是一种特殊的的RNA聚合酶，该酶以DNA为模板，催化一段RNA引物的合成，复制时在RNA引物的3＇-OH末端加上脱氧三磷酸核苷。
（4）DNA连接酶：连接DNA链3＇-OH末端和另一DNA链的5＇-P末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的DNA链连成完整的链。