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 编辑

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 编辑

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 编辑

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 编辑

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。