生物化學與分子生物學/DNA複製的基本規律

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DNA的生物合成 - DNA複製的基本規律 - DNA複製的酶學和拓撲學 - 原核生物DNA複製過程 - 真核生物DNA複製過程 - 逆轉錄
DNA複製特徵主要包括:半保留複製(semi-conservative replication)、雙向複製(bidirectional replication)和半不連續複製(semi-discontinuous replication)。DNA的複製具有高保真性(high fidelity)。

DNA以半保留方式進行複製[編輯]

DNA生物合成的半保留複製規律是遺傳信息傳遞機制的重要發現之一。在複製時,親代雙鏈 DNA解開為兩股單鏈,各自作為模板,依據鹼基配對規律,合成序列互補的子鏈DNA雙鏈。親代DNA模板在子代DNA中的存留有3種可能性,全保留式、半保留式或混合式。
1958年, Meselson M和Stahl FW用實驗證實自然界的DNA複製方式是半保留式的。他們利用細菌能夠以NH4Cl為氮源合成DNA的特性,將細菌在含15NH4Cl的培養液中培養若干代(每一代約20分鐘),此時細菌DNA全部是含15N的「重」DNA;再將細菌放回普通的14NH4Cl培養液中培養,新合成的DNA則有14N的摻入;提取不同培養代數的細菌DNA做密度梯度離心分析,因15N-DNA和14N-DNA的密度不同,DNA因此形成不同的緻密帶。結果表明,細菌在重培養基中生長繁殖時合成的15N-DNA 是1條高密度帶;轉入普通培養基培養l代後得到1條中密度帶,提示其為15N-DNA鏈與14N-DNA鏈的雜交分子;在第二代時可見中密度和低密度2條帶,表明它們分別為15N-DNA鏈/14N-DNA鏈、14N-DNA鏈/14N-DNA鏈組成的分子。隨著在普通培養基中培養代數的增加,低密度帶增強,而中密度帶保持不變。這一實驗結果證明,親代DNA複製後,是以半保留形式存在於子代DNA分子中的。
半保留複製規律的闡明,對於理解DNA的功能和物種的延續性有重大意義。依據半保留複製的方式,子代DNA中保留了親代的全部遺傳信息,親代與子代DNA之間鹼基序列高度一致。
遺傳的保守性是相對而不是絕對的,自然界還存在著普遍的變異現象。遺傳信息的相對穩定是物種穩定的分子基礎,但並不意味著同一物種個體與個體之間沒有區別。例如病毒是簡單的生物,流感病毒就有很多不同的毒株,不同毒株的感染方式、毒性差別可能很大,在預防上有相當大的難度。又如,地球上曾有過的人口和現有的幾十億人,除了單卵雙胞胎之外,兩個人之間不可能有完全一樣的DNA分子組成(基因型。因此,在強調遺傳保守性的同時,不應忽視其變異性。

DNA複製從起點雙向進行[編輯]

細胞的增殖有賴於基因組複製而使子代得到完整的遺傳信息。原核生物基因組是環狀DNA, 只有一個複製起點(origin)。複製從起點開始,向兩個方向進行解鏈,進行的是單點起始雙向複製。複製中的模板DNA形成2個延伸方向相反的開鏈區,稱為複製叉(replication fork)。 複製叉指的是正在進行複製的雙鏈DNA分子所形成的Y形區域,其中,已解旋的兩條模板單鏈以及正在進行合成的新鏈構成了Y形的頭部,尚未解旋的DNA模板雙鏈構成了Y形的尾部。
真核生物基因組龐大而複雜,由多個染色體組成,全部染色體均需複製,每個染色體又有多個起點,呈多起點雙向複製特徵。每個起點產生兩個移動方向相反的複製叉,複製完成時,複製叉相遇並匯合連接。從一個DNA複製起點起始的DNA複製區域稱為複製子(replicon)。複製子是含有一個複製起點的獨立完成複製的功能單位。高等生物有數以萬計的複製子,複製子間長度差別很大,約在13~900kb之間。

DNA複製以半不連續方式進行[編輯]

DNA雙螺旋結構的特徵之一是兩條鏈的反向平行,一條鏈為5'至3'方向,其互補鏈是3'至5'方向。DNA聚合酶只能催化DNA鏈從5'至3'方向的合成,故子鏈沿著模板複製時,只能從5'至3'方向延伸。在同一個複製叉上,解鏈方向只有一個,此時一條子鏈的合成方向與解鏈方向相同,可以邊解鏈,邊合成新鏈。然而,另一條鏈的複製方向則與解鏈方向相反,只能等待DNA全部解鏈,方可開始合成,這樣的等待在細胞內顯然是不現實的。
1968年,岡崎(OkazakiR)用電子顯微鏡結合放射自顯影技術觀察到,複製過程中會出現一些較短的新DNA片段,後人證實這些片段只出現於同一複製叉的一股鏈上。由此提出,子代DNA合成是以半不連續的方式完成的,從而克服DNA空間結構對DNA新鏈合成的制約。
目前認為,在DNA複製過程中,沿著解鏈方向生成的子鏈DNA的合成是連續進行的,這股鏈稱為前導鏈(leading strand);另一股鏈因為複製方向與解鏈方向相反,不能連續延長,只能隨著模板鏈的解開,逐段地從5'→3'生成引子並複製子鏈。模板被打開一段,起始合成一段子鏈;再打開一段,再起始合成另一段子鏈,這一不連續複製的鏈稱為後隨鏈(lagging strand)。前導鏈連續複製而後隨鏈不連續複製的方式稱為半不連續複製。在引子生成和子鏈延長上,後隨鏈都比前導鏈遲一些,因此,兩條互補鏈的合成是不對稱的。
沿著後隨鏈的模板鏈合成的新DNA片段被命名為岡崎片段(Okazaki fragment)。真核岡崎片段長度100~200核苷酸殘基,而原核是1000-~000核苷酸殘基。複製完成後,這些不連續片段經過去除引子,填補引子留下的空隙,連接成完整的DNA長鏈。

DNA複製具有高保真性[編輯]

DNA複製具有高度保真性,其錯配機率約為10-10。「半保留複製」確保親代和子代DNA分子之間信息傳遞的絕對保真性。高保真DNA聚合酶利用嚴格的鹼基配對原則是保證複製保真性的機制之一。另外,體內複製叉的複雜結構提高了複製的準確性;DNA聚合酶的核酸外切酶活性和校讀功能以及複製後修復系統(光復活修復、剪切修復、重組修復、SOS)對錯配加以糾正,四種機制協同進一步提高了複製的保真性。
細菌複製酶有多個錯誤修復系統。真核細胞有許多DNA聚合酶,複製酶以高保真度運作。複製酶有複雜的結構,不同亞基具有不同功能。除了β酶,修復酶都有低保真度,修復酶的結構相對簡單。