生物化学与分子生物学/DNA复制的基本规律

DNA的生物合成 - DNA复制的基本规律 - DNA复制的酶学和拓扑学 - 原核生物DNA复制过程 - 真核生物DNA复制过程 - 逆转录
DNA复制特征主要包括：半保留复制(semi-conservative replication)、双向复制(bidirectional replication）和半不连续复制(semi-discontinuous replication)。DNA的复制具有高保真性(high fidelity)。

DNA以半保留方式进行复制

DNA生物合成的半保留复制规律是遗传信息传递机制的重要发现之一。在复制时，亲代双链 DNA解开为两股单链，各自作为模板，依据碱基配对规律，合成序列互补的子链DNA双链。亲代DNA模板在子代DNA中的存留有3种可能性，全保留式、半保留式或混合式。
1958年， Meselson M和Stahl FW用实验证实自然界的DNA复制方式是半保留式的。他们利用细菌能够以NH₄Cl为氮源合成DNA的特性，将细菌在含¹⁵NH₄Cl的培养液中培养若干代（每一代约20分钟），此时细菌DNA全部是含¹⁵N的“重”DNA；再将细菌放回普通的¹⁴NH₄Cl培养液中培养，新合成的DNA则有¹⁴N的掺入；提取不同培养代数的细菌DNA做密度梯度离心分析，因¹⁵N-DNA和¹⁴N-DNA的密度不同，DNA因此形成不同的致密带。结果表明，细菌在重培养基中生长繁殖时合成的¹⁵N-DNA 是1条高密度带；转入普通培养基培养l代后得到1条中密度带，提示其为¹⁵N-DNA链与¹⁴N-DNA链的杂交分子；在第二代时可见中密度和低密度2条带，表明它们分别为¹⁵N-DNA链/¹⁴N-DNA链、¹⁴N-DNA链/¹⁴N-DNA链组成的分子。随着在普通培养基中培养代数的增加，低密度带增强，而中密度带保持不变。这一实验结果证明，亲代DNA复制后，是以半保留形式存在于子代DNA分子中的。
半保留复制规律的阐明，对于理解DNA的功能和物种的延续性有重大意义。依据半保留复制的方式，子代DNA中保留了亲代的全部遗传信息，亲代与子代DNA之间碱基序列高度一致。
遗传的保守性是相对而不是绝对的，自然界还存在着普遍的变异现象。遗传信息的相对稳定是物种稳定的分子基础，但并不意味着同一物种个体与个体之间没有区别。例如病毒是简单的生物，流感病毒就有很多不同的毒株，不同毒株的感染方式、毒性差别可能很大，在预防上有相当大的难度。又如，地球上曾有过的人口和现有的几十亿人，除了单卵双胞胎之外，两个人之间不可能有完全一样的DNA分子组成（基因型。因此，在强调遗传保守性的同时，不应忽视其变异性。

DNA复制从起点双向进行

细胞的增殖有赖于基因组复制而使子代得到完整的遗传信息。原核生物基因组是环状DNA, 只有一个复制起点(origin)。复制从起点开始，向两个方向进行解链，进行的是单点起始双向复制。复制中的模板DNA形成2个延伸方向相反的开链区，称为复制叉(replication fork)。 复制叉指的是正在进行复制的双链DNA分子所形成的Y形区域，其中，已解旋的两条模板单链以及正在进行合成的新链构成了Y形的头部，尚未解旋的DNA模板双链构成了Y形的尾部。
真核生物基因组庞大而复杂，由多个染色体组成，全部染色体均需复制，每个染色体又有多个起点，呈多起点双向复制特征。每个起点产生两个移动方向相反的复制叉，复制完成时，复制叉相遇并汇合连接。从一个DNA复制起点起始的DNA复制区域称为复制子(replicon)。复制子是含有一个复制起点的独立完成复制的功能单位。高等生物有数以万计的复制子，复制子间长度差别很大，约在13～900kb之间。

DNA复制以半不连续方式进行

DNA双螺旋结构的特征之一是两条链的反向平行，一条链为5'至3'方向，其互补链是3'至5'方向。DNA聚合酶只能催化DNA链从5'至3'方向的合成，故子链沿着模板复制时，只能从5'至3'方向延伸。在同一个复制叉上，解链方向只有一个，此时一条子链的合成方向与解链方向相同，可以边解链，边合成新链。然而，另一条链的复制方向则与解链方向相反，只能等待DNA全部解链，方可开始合成，这样的等待在细胞内显然是不现实的。
1968年，冈崎(OkazakiR)用电子显微镜结合放射自显影技术观察到，复制过程中会出现一些较短的新DNA片段，后人证实这些片段只出现于同一复制叉的一股链上。由此提出，子代DNA合成是以半不连续的方式完成的，从而克服DNA空间结构对DNA新链合成的制约。
目前认为，在DNA复制过程中，沿着解链方向生成的子链DNA的合成是连续进行的，这股链称为前导链(leading strand)；另一股链因为复制方向与解链方向相反，不能连续延长，只能随着模板链的解开，逐段地从5'→3'生成引物并复制子链。模板被打开一段，起始合成一段子链；再打开一段，再起始合成另一段子链，这一不连续复制的链称为后随链(lagging strand)。前导链连续复制而后随链不连续复制的方式称为半不连续复制。在引物生成和子链延长上，后随链都比前导链迟一些，因此，两条互补链的合成是不对称的。
沿着后随链的模板链合成的新DNA片段被命名为冈崎片段(Okazaki fragment)。真核冈崎片段长度100～200核苷酸残基，而原核是1000-～000核苷酸残基。复制完成后，这些不连续片段经过去除引物，填补引物留下的空隙，连接成完整的DNA长链。

DNA复制具有高保真性

DNA复制具有高度保真性，其错配概率约为10^-10。“半保留复制”确保亲代和子代DNA分子之间信息传递的绝对保真性。高保真DNA聚合酶利用严格的碱基配对原则是保证复制保真性的机制之一。另外，体内复制叉的复杂结构提高了复制的准确性；DNA聚合酶的核酸外切酶活性和校读功能以及复制后修复系统（光复活修复、剪切修复、重组修复、SOS）对错配加以纠正，四种机制协同进一步提高了复制的保真性。
细菌复制酶有多个错误修复系统。真核细胞有许多DNA聚合酶，复制酶以高保真度运作。复制酶有复杂的结构，不同亚基具有不同功能。除了β酶，修复酶都有低保真度，修复酶的结构相对简单。