DNA復制（DNA雙鏈進(jìn)行的復制過(guò)程）
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DNA復制
DNA雙鏈進(jìn)行的復制過(guò)程
基本信息
| 中文名 | DNA復制 |
| 拉丁學(xué)名 | replication |
| 外文名 | DNA replication |
| 途徑 | 半保留復制 |
| 簡(jiǎn)寫(xiě) | DNA |
| 作用 | 生物遺傳的基礎 |
| 載體 | 所有DNA為遺傳物質(zhì)的生物體 |
| 過(guò)程 | 引發(fā)、延伸、終止 |
收起
定義
DNA復制
DNA復制主要包括引發(fā)、延伸、終止三個(gè)階段。
簡(jiǎn)介
DNA復制是生物遺傳的基礎，是所有生物體中最基本的過(guò)程。而這一過(guò)程是半保留復制，是以最開(kāi)始的雙鏈分子中的一條作為模板進(jìn)行DNA復制，產(chǎn)生兩個(gè)完全一致的DNA分子。細胞水平的校正和糾錯機制能確保非常精確地復制DNA的拷貝。DNA復制發(fā)生在基因組的特定位置也就是起始點(diǎn)，DNA分子在起始點(diǎn)形成復制叉開(kāi)始復制。
DNA復制從起始序列開(kāi)始單向或雙向進(jìn)行。合成DNA雙螺旋的兩條鏈是反向平行排列的，其中一條鏈的起始端與另一條鏈的末尾端平行排列在一起，每一個(gè)復制叉只有一條鏈是按照從尾到頭的正確方向指導新鏈從頭到尾方向合成。根據這條指導鏈，DNA復制持續向前合成復制叉。
DNA復制不能沿滯后鏈進(jìn)行，也就是說(shuō)，從頭到尾的DNA鏈，直到已經(jīng)復制了足夠長(cháng)度的DNA分子，否則DNA復制不會(huì )繼續沿著(zhù)模本鏈進(jìn)行復制，DNA復制于是從新合成復制叉處分開(kāi)。在復制過(guò)程中必須暫停并等待更多的親本DNA鏈片段，而此時(shí)整個(gè)長(cháng)度只是沿著(zhù)開(kāi)始到結束方向前進(jìn)了一小段距離。
復制體
復制體是一個(gè)執行DNA復制的復雜分子機器。它由大量的次級元件組成，每一個(gè)次級元件在復制的過(guò)程中都行使一個(gè)特殊的功能。解螺旋酶能切斷兩條DNA分子之間的氫鍵，從而在DNA合成前分開(kāi)兩條鏈。當解螺旋酶解開(kāi)雙螺旋時(shí)，引導DNA其它區域的超螺旋體排列好。
DNA合成酶Ⅲ由2個(gè)催化核心構成，一個(gè)引導DNA鏈復制，一個(gè)間隔DNA鏈。但是DNA合成酶Ⅲ不能停留足夠時(shí)間，有效地復制姐妹鏈。于是包含3個(gè)亞基的二聚物β聚合物共同包裹住DNA鏈使DNA合成酶Ⅲ留在DNA鏈上，確保DNA聚合酶Ⅲ能在鏈上合成幾千個(gè)核酸而不是幾百個(gè)。
DNA合成酶Ⅰ將引物酶添加的RNA引物去掉，完成岡崎片段。而DNA合成酶Ⅰ的作用會(huì )使岡崎片段之間產(chǎn)生小的空白區域，這就需要連接酶將岡崎片段連接起來(lái)，最終兩個(gè)岡崎片段的末端以共價(jià)鍵結合。
起源
DNA的復制是對那些堅持達爾文主義世界觀(guān)的的人們的一項基本挑戰。作為生物信息被復制并傳遞給后代的過(guò)程，這是一個(gè)對于細胞的自我復制過(guò)程必要的機制。細胞的自我復制對于任何選擇性的過(guò)程中都是必要的，比如自然選擇。因此，試圖用自然選擇來(lái)解釋這個(gè)機制巨大的復雜性需要人們先要假設他們想解釋的東西的客觀(guān)存在。由于其極為復雜的性質(zhì)，大多數生化學(xué)者先前認為該系統產(chǎn)生，是在最后一個(gè)共同祖先的起源之前。此外，許多生化學(xué)家長(cháng)久以來(lái)一直把在所有生命中觀(guān)察到的DNA復制的功能性的相似當作DNA復制的單一的起源。不過(guò)在1999年，美國國家衛生研究院的研究人員證明，參與細菌和古細菌或真核細胞（生命進(jìn)化之樹(shù)的兩個(gè)主干）的DNA復制的核心酶其實(shí)并沒(méi)有一個(gè)共同的進(jìn)化起源。因此，它看起來(lái)好像細菌和古細菌獨自產(chǎn)生了兩個(gè)相同的DNA復制系統 — 在這兩個(gè)進(jìn)化的譜系據信分化自最后的共同祖先之后。
復制引發(fā)
復制的引發(fā)（Priming)階段包括DNA復制起點(diǎn)雙鏈被DNA解旋酶解開(kāi)，通過(guò)轉錄激活步驟合成RNA分子；RNA引物的
DNA復制
為什么需要有RNA引物來(lái)引發(fā)DNA復制呢？這可能盡量減少DNA復制起始處的突變有關(guān)。DNA復制開(kāi)始處的幾個(gè)核苷酸最容易出現差錯，因此，用RNA引物即使出現差錯最后也要被DNA聚合酶Ⅰ切除，提高了DNA復制的準確性。RNA引物形成后，由DNA聚合酶Ⅲ催化將第一個(gè)脫氧核苷酸按堿基互補原則加在RNA引物3'-OH端而進(jìn)入DNA鏈的延伸階段。
過(guò)程
DNA雙螺旋的解旋
DNA在復制的時(shí)候，在DNA解旋酶的作用下，雙鏈首先解開(kāi)，形成了復制叉，而復制叉的形成則是由多種蛋白質(zhì)和酶參與的較復雜的復制過(guò)程
（1）單鏈DNA結合蛋白（single—stranded DNA binding protein,ssbDNA蛋白）
ssbDNA蛋白是較牢固結合在單鏈DNA上的蛋白質(zhì)。原核生物ssbDNA蛋白和DNA結合時(shí)表現出協(xié)同效應：如果第一個(gè)ssbDNA蛋白結合到DNA上去能力為1，第二個(gè)的結合能力可高達103；真核生物細胞里的ssbDNA蛋白與單鏈DNA結合時(shí)則不表現上述效應。ssbDNA蛋白作用是保證解旋酶解開(kāi)的單鏈在復制完成前能保持單鏈結構，以四聚體的形式存在于復制叉處，等待單鏈復制后才脫下來(lái)，重新循環(huán)。因此，ssbDNA蛋白僅保持單鏈的存在，是不起解旋作用。
（2）DNA解鏈酶（DNA helicase）
DNA解鏈酶可以通過(guò)水解ATP獲得能量以解開(kāi)雙鏈DNA。這一種解鏈酶分解ATP的活性依賴(lài)于單鏈DNA的存在。若雙鏈DNA中有單鏈末端或切口，則DNA解鏈酶能首先結合在這一部分，然后逐步向雙鏈的方向移動(dòng)。復制時(shí)，大部分DNA解旋酶沿滯后模板的5’—〉3’方向并隨著(zhù)復制叉的前進(jìn)而移動(dòng)，只有個(gè)別解旋酶（Rep蛋白）是沿著(zhù)3’—〉5’方向移動(dòng)。因而推測Rep蛋白和特定DNA解鏈酶是分別在DNA的兩條母鏈上協(xié)同作用以解開(kāi)雙鏈DNA。
（3）DNA解鏈過(guò)程
DNA在復制前不僅為雙螺旋而且處于超螺旋狀態(tài)，而超螺旋狀態(tài)的存在為解鏈前的必須結構狀態(tài)，參與解鏈的除解鏈酶外有一些特定蛋白質(zhì)，比如大腸桿菌中的Dna蛋白等。一旦DNA局部雙鏈被解開(kāi)，就必須有ssbDNA蛋白以穩定解開(kāi)單鏈，保證此局部不會(huì )恢復為雙鏈。兩條單鏈DNA復制的引發(fā)過(guò)程是有所差異，可是不論是前導鏈還是后隨鏈，都需要一段RNA引物用于開(kāi)始子鏈DNA合成。因此前導鏈和后隨鏈的差別在于前者從復制起始點(diǎn)開(kāi)始按5’—3’持續的合成下去、不形成岡崎片段、后者則隨著(zhù)復制叉的出現、不斷合成長(cháng)約2—3kb的岡崎片段。
岡崎片段與半不連續復制
因為DNA的兩條鏈是反向平行的，所以在復制叉附近解開(kāi)的DNA鏈，一條為5’—〉3’方向，另一條為3’—〉5’方向，兩個(gè)模板極性是不同。所有已知DNA聚合酶合成方向均為5’—〉3’方向，不為3’—〉5’方向，所以無(wú)法解釋DNA的兩條鏈同時(shí)進(jìn)行復制的問(wèn)題。解釋DNA兩條鏈各自模板合成子鏈等速復制現象，日本的學(xué)者岡崎（Okazaki）等人提出了DNA的半不連續復制（semidiscontinuous replication）模型。在1968年，岡崎用3H脫氧胸苷短時(shí)間標記大腸桿菌，提取DNA，變性之后用超離心方法得到了許多3H標記的，被后人稱(chēng)作為岡崎片段的DNA。延長(cháng)標記時(shí)間之后，岡崎片段可轉變?yōu)槌墒斓腄NA鏈，所以這些片段必然是復制過(guò)程中的中間產(chǎn)物。另一個(gè)實(shí)驗也證明DNA復制過(guò)程里首先合成較小的片段，即用DNA連接酶溫度敏感突變株進(jìn)行的試驗，在連接酶不起作用的溫度中，便產(chǎn)生大量小DNA片段積累，表明DNA復制過(guò)程里至少有一條鏈首先合成較短的片段，之后再由連接酶鏈成大分子DNA。一般說(shuō)，原核生物的岡崎片段比真核生物長(cháng)。深入研究還可證明，前導鏈的連續復制與滯后鏈的不連續復制在生物界具有普遍性，故稱(chēng)為DNA雙螺旋的半不連續復制。
端粒和端粒酶
在1941年，美籍印度人麥克林托克（Mc Clintock）就提出端粒（telomere)的假說(shuō)，指出染色體末端必然存在一種特殊結構——端粒。已知染色體端粒的作用至少有2：a.保護染色體末端免受損傷，使染色體保持穩定；b. 與核纖層相連，使染色體得以定位。
弄清楚DNA復制過(guò)程之后，在20世紀70年代，科學(xué)家對DNA復制時(shí)新鏈5’端的RNA引物被切除之后，空缺為如何被填補的提出了質(zhì)疑。如果不填補豈不是DNA每復制一次就短一點(diǎn)。后隨鏈復制為例，RNA引物被切除后，岡崎片段之間是由DNA聚合酶I催化合成的DNA填補之，然后再由DNA連接酶將它們連接成了一條完整的鏈。可是DNA聚合酶I催化合成DNA時(shí)，需要自由3’—OH作為其引物，最后余下子鏈的5’則無(wú)法填補，于是染色體就短一點(diǎn)。
在正常體細胞里普遍存在著(zhù)染色體酶復制一次端粒就短一次的現象。推測，可能一旦端粒縮短至某一閾限長(cháng)度一下時(shí)，就會(huì )發(fā)出一個(gè)警報，指令細胞進(jìn)入到衰老；或許為當細胞判斷出它們的染色體已變得太短了，所以是分裂也就停止了，造成了正常體細胞壽命有一定界限。可是在癌細胞中染色體端粒卻一直維持在一定長(cháng)度上，這是為什么，這是因為DNA復制之后，將染色體末端短缺部分補上需要端粒酶，是一種含有RNA的酶，其既解決了模板，又解決引物的問(wèn)題。在生殖細胞與85%癌細胞中都測出了端粒酶具有活性，可是在正常體細胞中卻無(wú)活性，20世紀90年代中期Blackburn首次在原生動(dòng)物中克隆出端粒酶基因。
端粒酶在癌細胞里具有活性，不僅使癌細胞可以不斷分裂增生，且為癌變前的細胞或已經(jīng)是癌性的細胞提供了時(shí)間，積累附加的突變，即等于增加了它們復制，侵入與最終轉移的能力。同時(shí)人們也由此萌生開(kāi)發(fā)以端粒為靶的藥物，即通過(guò)抑制癌細胞里端粒酶活性而達到治療癌癥的目的。
至于真核細胞DNA末端結構特點(diǎn)，早就在1978年，Blackburn就以原生動(dòng)物四膜出（一種纖毛蟲(chóng)）為例說(shuō)明之：a.迥紋形式的發(fā)夾環(huán)；b.僅由C,A組成的簡(jiǎn)單序列大量重復（C4A2）20~70；c.鏈上有許多缺口（nicks）
復制條件
鏈的延伸
DNA新生鏈的合成由DNA聚合酶Ⅲ所催化，然而，DNA必須由螺旋酶在復制叉處邊移動(dòng)邊解開(kāi)雙鏈。這樣就產(chǎn)生了一種拓撲學(xué)上的問(wèn)題：由于DNA的解鏈，在DNA雙鏈區勢必產(chǎn)生正超螺旋，在環(huán)狀DNA中更為明顯，當達到一定程度后就會(huì )造成復制叉難再繼續前進(jìn)，從而終
DNA復制
在DNA復制叉處要能由兩套DNA聚合酶Ⅲ在同一時(shí)間分別進(jìn)行復制DNA前導鏈和滯后鏈。如果滯后鏈模板環(huán)繞DNA聚合酶Ⅲ全酶，并通過(guò)DNA聚合酶Ⅲ，然后再折向與未解鏈的雙鏈DNA在同一方向上，則滯后鏈的合成可以和前導鏈的合成在同一方向上進(jìn)行。
這樣，當DNA聚合酶Ⅲ沿著(zhù)滯后鏈模板移動(dòng)時(shí)，由特異的引物酶催化合成的RNA引物即可以由DNA聚合酶Ⅲ所延伸。當合成的DNA鏈到達前一次合成的岡崎片段的位置時(shí)，滯后鏈模板及剛合成的岡崎片斷便從DNA聚合酶Ⅲ上釋放出來(lái)。這時(shí)，由于復制叉繼續向前運動(dòng)，便產(chǎn)生了又一段單鏈的滯后鏈模板，它重新環(huán)繞DNA聚合酶Ⅲ全酶，并通過(guò)DNA聚合酶Ⅲ開(kāi)始合成新的滯后鏈岡崎片段。通過(guò)這樣的機制，前導鏈的合成不會(huì )超過(guò)滯后鏈太多（最后只有一個(gè)岡崎片段的長(cháng)度）。而且，這樣引發(fā)體在DNA鏈上和DNA聚合酶Ⅲ以同一速度移動(dòng)。
多種DNA聚合酶在DNA復制過(guò)程中扮演不同的角色。在大腸桿菌中，DNA Pol III是主要負責DNA復制的聚合酶。它在復制分支上組裝成復制復合體，具有極高的持續性，在整個(gè)復制周期中保持完整。相反，DNA Pol I是負責用DNA替換RNA引物的酶。 DNA Pol I除了具有聚合酶活性外，還具有5'至3'外切核酸酶活性，并利用其外切核酸酶活性降解RNA引物。 Pol I在DNA復制中的主要功能是創(chuàng )建許多短DNA片段，而不是產(chǎn)生非常長(cháng)的片段。在真核生物中，Pol α有助于啟動(dòng)復制，因為它與引物酶形成復合物。Pol ε和Pol δ負責前導鏈的合成。Pol δ還負責引物的去除，而Pol ε也參與復制期間DNA的修復
按上述DNA復制的機制，在復制叉附近，形成了以?xún)商譊NA聚合酶Ⅲ全酶分子、引發(fā)體和螺旋構成的類(lèi)似核糖體大小的復合體，稱(chēng)為DNA復制體(replisome)。復制體在DNA前導鏈模板和滯后鏈模板上移動(dòng)時(shí)便合成了連續的DNA前導鏈和由許多岡崎片段組成的滯后鏈。在DNA合成延伸過(guò)程中主要是DNA聚合酶Ⅲ的作用。當岡崎片段形成后，DNA聚合酶Ⅰ通過(guò)其5'→3'外切酶活性切除岡崎片段上的RNA引物，同時(shí)，利用后一個(gè)岡崎片段作為引物由5'→3'合成DNA。最后兩個(gè)岡崎片段由DNA連接酶將其接起來(lái)，形成完整的DNA滯后鏈。
終止
DNA復制
才終止其DNA復制。但最近的實(shí)驗表明，在DNA上也存在著(zhù)復制終止位點(diǎn)，DNA復制將在復制終止位點(diǎn)處終止，并不一定等全部DNA合成完畢。但對復制終止位點(diǎn)的結構和功能了解甚少。在DNA復制終止階段令人困惑的一個(gè)問(wèn)題是，線(xiàn)性DNA分子兩端是如何完成其復制的？已知DNA復制都要有RNA引物參與。當RNA引物被切除后，中間所遺留的間隙由DNA聚合Ⅰ所填充。但是，在線(xiàn)性分子的兩端以5'→3'為模板的滯后鏈的合成，其末端的RNA引物被切除后是無(wú)法被DNA聚合酶所填充的。
在研究T7DNA復制時(shí)，這個(gè)問(wèn)題部分地得到了解決。T7DNA兩端的DNA序列區有160bp長(cháng)的序列完全相同。而且，在T7DNA復制時(shí)，產(chǎn)生的子代DNA分子不是一個(gè)單位T7DNA長(cháng)度，而是許多單位長(cháng)度的T7DNA首尾連接在一起。T7DNA兩個(gè)子代DNA分子都會(huì )有一個(gè)3'端單鏈尾巴，兩個(gè)子代DNA的3'端尾巴以互補結合形成兩個(gè)單位T7DNA的線(xiàn)性連接。然后由DNA聚合酶Ⅰ填充和DNA連接酶連接后，繼續復制便形成四個(gè)單位長(cháng)度的T7DNA分子。這樣復制下去，便可形成多個(gè)單位長(cháng)度的T7DNA分子。這樣的T7DNA分子可以被特異的內切酶切開(kāi)，用DNA聚合酶填充與親代DNA完全一樣的雙鏈T7DNA分子。
DNA復制
真核生物在染色體的多個(gè)點(diǎn)開(kāi)始DNA復制，因此復制叉在染色體的許多點(diǎn)處相遇并終止。由于真核生物具有線(xiàn)性染色體，DNA復制無(wú)法到達染色體的最末端。由于這個(gè)問(wèn)題，在染色體末端的DNA在每個(gè)復制周期中都會(huì )丟失。端粒是接近末端的重復DNA區域，有助于防止基因丟失。端粒縮短是體細胞中的正常過(guò)程，它縮短了子DNA染色體的端粒。因此，在DNA丟失阻止進(jìn)一步分裂之前，細胞只能分裂一定次數。在生殖細胞中，端粒酶延伸端粒區域的重復序列以防止降解。
DNA復制的終止發(fā)生在特定的基因位點(diǎn)，即復制終止位點(diǎn)。該位點(diǎn)的終止位點(diǎn)序列被與該序列結合的阻止DNA復制的蛋白質(zhì)識別并結合，阻止了復制叉前進(jìn)，復制終止。細菌物的DNA復制末端位點(diǎn)結合蛋白又稱(chēng)Ter蛋白。
因為細菌具有環(huán)狀染色體，所以當兩個(gè)復制叉在親本染色體的另一端彼此相遇時(shí)復制終止發(fā)生。大腸桿菌通過(guò)使用終止序列來(lái)調節該過(guò)程，當該序列被Tus蛋白結合時(shí)，終止序列僅允許復制叉一個(gè)方向的通行。結果，復制叉總是在染色體的終止區域內相遇，導致復制終止
在環(huán)狀DNA的復制的末端終止階段則不存在上述問(wèn)題。環(huán)狀DNA復制到最后，由DNA拓撲異構酶Ⅱ切開(kāi)雙鏈DNA，將兩個(gè)DNA分子分開(kāi)成為兩個(gè)完整的與親代DNA分子一樣的子代DNA。
DNA復制的特點(diǎn)
1．半保留復制：DNA在復制時(shí)，以親代DNA的每一股作模板，合成完全相同的兩個(gè)雙鏈子代DNA，每個(gè)子代DNA中都含有一股親代DNA鏈，這種現象稱(chēng)為DNA的半保留復制。DNA以半保留方式進(jìn)行復制，是在1958年由M. Meselson 和 F. Stahl 所完成的實(shí)驗所證明。
2．有一定的復制起始點(diǎn)：DNA在復制時(shí)，需在特定的位點(diǎn)起始，這是一些具有特定核苷酸排列順序的片段，即復制起始點(diǎn)（復制子）。在原核生物中，復制起始點(diǎn)通常為一個(gè)，而在真核生物中則為多個(gè)。
3．需要引物（primer)：DNA聚合酶必須以一段具有3'端自由羥基（3'-OH）的RNA作為引物，才能開(kāi)始聚合子代DNA鏈。RNA引物的大小，在原核生物中通常為50～100個(gè)核苷酸，而在真核生物中約為10個(gè)核苷酸。
5．半不連續復制：由于DNA聚合酶只能以5'→3'方向聚合子代DNA鏈，因此兩條親代DNA鏈作為模板聚合子代DNA鏈時(shí)的方式是不同的。以3'→5'方向的親代DNA鏈作模板的子代鏈在聚合時(shí)基本上是連續進(jìn)行的，這一條鏈被稱(chēng)為領(lǐng)頭鏈（leading strand)。而以5'→3'方向的親代DNA鏈為模板的子代鏈在聚合時(shí)則是不連續的，這條鏈被稱(chēng)為隨從鏈（lagging strand)。DNA在復制時(shí)，由隨從鏈所形成的一些子代DNA短鏈稱(chēng)為岡崎片段（Okazaki fragment)。岡崎片段的大小，在原核生物中約為1000～2000個(gè)核苷酸，而在真核生物中約為100個(gè)核苷酸。
相關(guān)說(shuō)明
DNA的復制是一個(gè)邊解旋邊復制的過(guò)程。復制開(kāi)始時(shí)，DNA分子首先利用細胞提供的能量，在解旋酶的作用下，把兩條螺旋的雙鏈解開(kāi)，這個(gè)過(guò)程叫解旋。然后，以解開(kāi)的每一段母鏈為模板，以周?chē)h(huán)境中的四種脫氧核苷酸為原料，按照堿基配對互補配對原則，在DNA聚合酶的作用下，各自合成與母鏈互補的一段子鏈。隨著(zhù)解旋過(guò)程的進(jìn)行，新合成的子鏈也不斷地延伸，同時(shí)，每條子鏈與其母鏈盤(pán)繞成雙螺旋結構，從而各形成一個(gè)新的DNA分子。這樣，復制結束后，一個(gè)DNA分子，通過(guò)細胞分裂分配到兩個(gè)子細胞中去！
注：復制時(shí)遵循堿基互補配對原則，復制發(fā)生在細胞分裂的間期。
DNA是遺傳信息的載體，故親代DNA必須以自身分子為模板準確的復制成兩個(gè)拷貝，并分配到兩個(gè)子細胞中去，完成其遺傳信息載體的使命。而DNA的雙鏈結構對于維持這類(lèi)遺傳物質(zhì)的穩定性和復制的準確性都是極為重要的。
（一）DNA的半保留復制
Waston和Click在提出DNA雙螺旋結構模型時(shí)曾就DNA復制過(guò)程進(jìn)行過(guò)研究，他們推測，DNA在復制過(guò)程中堿基間的氫鍵首先斷裂，雙螺旋解旋分開(kāi)，每條鏈分別作模板合成新鏈，每個(gè)子代DNA的一條鏈來(lái)自親代，另一條則是新合成的，故稱(chēng)之為半保留式復制（semiconservative replication)。
1958年Meselson和Stahl進(jìn)行了如圖8-3-5的實(shí)驗證明了DNA分子是以半保留方式進(jìn)行自我復制的。圖8-3-5 Meselson和Stahl證明DNA半保留復制的實(shí)驗
（二）DNA復制的起始，方向和速度
DNA在復制時(shí)，雙鏈DNA解旋成兩股分別進(jìn)行。其復制過(guò)程的復制起點(diǎn)呈現叉子的形式，故稱(chēng)復制叉。以復制叉向前移動(dòng)的方向為標準，一條模板鏈為3’—〉5’走向，在其上DNA能以5’—〉3’方向連續合成，稱(chēng)為前導鏈（leading strand)；另一條模板鏈為5’—〉3’走向，在其上DNA也是5’—〉3’方向合成，但與復制叉移動(dòng)的方向正好相反，故隨著(zhù)復制叉的移動(dòng)形成許多不連續的岡崎片段，最后在連成一條完整的DNA鏈，該鏈稱(chēng)為后隨鏈（lagging strand)。實(shí)驗證明DNA的復制是由一個(gè)固定的起始點(diǎn)開(kāi)始的。一般把生物體的單個(gè)復制單位稱(chēng)為復制子。一個(gè)復制子只含一個(gè)復制起點(diǎn)。一般說(shuō)，細菌，病毒即線(xiàn)粒體DNA分子均作為單個(gè)復制子完成其復制，真核生物基因組可以同時(shí)在多個(gè)復制起點(diǎn)上進(jìn)行雙向復制，即它們的基因組包括多個(gè)復制子。多方面的實(shí)驗結果表明，大多數生物內DNA的復制都是從固定的起始點(diǎn)以雙向等速方式進(jìn)行的。復制叉以DNA分子上某一特定順序為起始點(diǎn)，向兩個(gè)方向等速生長(cháng)前進(jìn)。圖8-3-6 DNA復制過(guò)程
DNA復制過(guò)程
（三）DNA復制過(guò)程
以原核生物DNA復制過(guò)程予以簡(jiǎn)要說(shuō)明
1．DNA雙螺旋的解旋
DNA在復制時(shí)，其雙鏈首先解開(kāi)，形成復制叉，而復制叉的形成則是由多種蛋白質(zhì)及酶參與的較復雜的復制過(guò)程
ssbDNA蛋白是較牢固的結合在單鏈DNA上的蛋白質(zhì)。原核生物ssbDNA蛋白與DNA結合時(shí)表現出協(xié)同效應：若第1個(gè)ssbDNA蛋白結合到DNA上去能力為1，第2個(gè)的結合能力可高達103；真核生物細胞中的ssbDNA蛋白與單鏈DNA結合時(shí)則不表現上述效應。ssbDNA蛋白的作用是保證解旋酶解開(kāi)的單鏈在復制完成前能保持單鏈結構，它以四聚體的形式存在于復制叉處，待單鏈復制后才脫下來(lái)，重新循環(huán)。所以，ssbDNA蛋白只保持單鏈的存在，不起解旋作用。（2）DNA解鏈酶（DNA helicase） DNA解鏈酶能通過(guò)水解ATP獲得能量以解開(kāi)雙鏈DNA。這種解鏈酶分解ATP的活性依賴(lài)于單鏈DNA的存在。如果雙鏈DNA中有單鏈末端或切口，則DNA解鏈酶可以首先結合在這一部分，然后逐步向雙鏈方向移動(dòng)。復制時(shí)，大部分DNA解旋酶可沿滯后模板的5’—〉3’方向并隨著(zhù)復制叉的前進(jìn)而移動(dòng)，只有個(gè)別解旋酶（Rep蛋白）是沿著(zhù)3’—〉5’方向移動(dòng)的。故推測Rep蛋白和特定DNA解鏈酶是分別在DNA的兩條母鏈上協(xié)同作用以解開(kāi)雙鏈DNA。（3）DNA解鏈過(guò)程 DNA在復制前不僅是雙螺旋而且處于超螺旋狀態(tài)，而超螺旋狀態(tài)的存在是解鏈前的必須結構狀態(tài)，參與解鏈的除解鏈酶外還有一些特定蛋白質(zhì)，如大腸桿菌中的Dna蛋白等。一旦DNA局部雙鏈解開(kāi)，就必須有ssbDNA蛋白以穩定解開(kāi)的單鏈，保證此局部不會(huì )恢復成雙鏈。兩條單鏈DNA復制的引發(fā)過(guò)程有所差異，但是不論是前導鏈還是后隨鏈，都需要一段RNA引物用于開(kāi)始子鏈DNA的合成。因此前導鏈與后隨鏈的差別在于前者從復制起始點(diǎn)開(kāi)始按5’—3’持續的合成下去，不形成岡崎片段，后者則隨著(zhù)復制叉的出現，不斷合成長(cháng)約2—3kb的岡崎片段。
2．岡崎片段與半不連續復制
因DNA的兩條鏈是反向平行的，故在復制叉附近解開(kāi)的DNA鏈，一條是5’—〉3’方向，另一條是3’—〉5’方向，兩個(gè)模板極性不同。所有已知DNA聚合酶合成方向均是5’—〉3’方向，不是3’—〉5’方向，因而無(wú)法解釋DNA的兩條鏈同時(shí)進(jìn)行復制的問(wèn)題。為解釋DNA兩條鏈各自模板合成子鏈等速復制現象，日本學(xué)者岡崎（Okazaki）等人提出了DNA的半連續復制（semidiscontinuous replication）模型。1968年岡崎用3H脫氧胸苷短時(shí)間標記大腸桿菌，提取DNA，變性后用超離心方法得到了許多3H標記的，被后人稱(chēng)作岡崎片段的DNA。延長(cháng)標記時(shí)間后，岡崎片段可轉變?yōu)槌墒霥NA鏈，因此這些片段必然是復制過(guò)程中的中間產(chǎn)物。另一個(gè)實(shí)驗也證明DNA復制過(guò)程中首先合成較小的片段，即用DNA連接酶溫度敏感突變株進(jìn)行試驗，在連接酶不起作用的溫度下，便有大量小DNA片段積累，表明DNA復制過(guò)程中至少有一條鏈首先合成較短的片段，然后再由連接酶鏈成大分子DNA。一般說(shuō)，原核生物的岡崎片段比真核生物的長(cháng)。深入研究還證明，前導鏈的連續復制和滯后鏈的不連續復制在生物界具有普遍性，故稱(chēng)為DNA雙螺旋的半不連續復制。
3．復制的引發(fā)和終止
所有的DNA的復制都是從一個(gè)固定的起始點(diǎn)開(kāi)始的，而DNA聚合酶只能延長(cháng)已存在的DNA鏈，不能從頭合成DNA鏈，新DNA的復制是如何形成的？經(jīng)大量實(shí)驗研究證明，DNA復制時(shí)，往往先由RNA聚合酶在DNA模板上合成一段RNA引物，再由聚合酶從RNA引物3’端開(kāi)始合成新的DNA鏈。對于前導鏈來(lái)說(shuō)，這一引發(fā)過(guò)程比較簡(jiǎn)單，只要有一段RNA引物，DNA聚合酶就能以此為起點(diǎn)，一直合成下去。對于后隨鏈，引發(fā)過(guò)程較為復雜，需要多種蛋白質(zhì)和酶參與。后隨鏈的引發(fā)過(guò)程由引發(fā)體來(lái)完成。引發(fā)體由6種蛋白質(zhì)構成，預引體或引體前體把這6種蛋白質(zhì)結合在一起并和引發(fā)酶或引物過(guò)程酶進(jìn)一步組裝形成引發(fā)體。引發(fā)體似火車(chē)頭一樣在后隨鏈分叉的方向前進(jìn)，并在模板上斷斷續續的引發(fā)生成滯后鏈的引物RNA短鏈，再由DNA聚合酶 III 作用合成DNA，直至遇到下一個(gè)引物或岡崎片段為止。由RNA酶H降解RNA引物并由DNA聚合酶 I 將缺口補齊，再由DNA連接酶將每?jì)蓚€(gè)岡崎片段連在一起形成大分子DNA.。
（四）端粒和端粒酶
1941年美籍印度人麥克林托克（Mc Clintock）就提出了端粒（telomere)的假說(shuō)，認為染色體末端必然存在一種特殊結構——端粒。已知染色體端粒的作用至少有二：① 保護染色體末端免受損傷，使染色體保持穩定；② 與核纖層相連，使染色體得以定位。
在弄清楚DNA復制過(guò)程之后，20世紀70年代科學(xué)家對DNA復制時(shí)新鏈5’端的RNA引物被切除后，空缺是如何被填補的提出了質(zhì)疑。如不填補豈不是DNA每復制一次就短一點(diǎn)。以后隨鏈復制為例，當RNA引物被切除后，岡崎片段之間是由DNA聚合酶 I催化合成的DNA填補之，然后再由DNA連接酶將它們連接成一條完整的鏈。但是DNA聚合酶 I 催化合成DNA時(shí)，需要自由3’—OH作為引物，最后余下子鏈的5’無(wú)法填補，于是染色體就短了一點(diǎn)。
在正常體細胞中普遍存在著(zhù)染色體酶復制一次端粒就短一次的現象。人們推測，可能一旦端粒縮短到某一閾限長(cháng)度一下時(shí)，他們就會(huì )發(fā)出一個(gè)警報，指令細胞進(jìn)入衰老；或許是當細胞判斷出它們的染色體已變得太短了，于是分裂也就停止了，造成正常體細胞壽命有一定界限。但是在癌細胞中染色體端粒卻一直維持在一定長(cháng)度上，這是為什么？這是因為DNA復制后，把染色體末端短缺部分補上需要端粒酶，這是一種含有RNA的酶，它既解決了模板，又解決了引物的問(wèn)題。在生殖細胞和85%癌細胞中都測出了端粒酶具有活性，但是在正常體細胞中卻無(wú)活性，20世紀90年代中期，Blackburn首次在原生動(dòng)物中克隆出端粒酶基因。
端粒酶在癌細胞中具有活性，它不僅使癌細胞可以不斷分裂增生，而且它為癌變前的細胞或已經(jīng)是癌性的細胞提供了時(shí)間，以積累附加的突變，即等于增加它們復制，侵入和最終轉移的能力。同時(shí)人們也由此萌生了開(kāi)發(fā)以端粒為靶的藥物，即通過(guò)抑制癌細胞中端粒酶活性而達到治療癌癥的目的。
至于真核細胞DNA末端的結構特點(diǎn)，早就在1978年Blackburn就以原生動(dòng)物四膜蟲(chóng)（一種纖毛蟲(chóng)）為例說(shuō)明之：① 迥紋形式的發(fā)夾環(huán)；② 僅由C,A組成的簡(jiǎn)單序列大量重復（C4A2）20~70；③ 鏈上有許多缺口（nicks）。
參考資料
[1]
DNA Replication · allaboutscience[引用日期2013-04-02]
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