基本介紹
- 中文名：基因複製
- 外文名：Gene replication
- 又名：DNA
過程
複製可以分為以下幾個階段：
DNA複製的引發
複製的引發(Priming)階段包括DNA複製起點雙鏈解開，通過轉錄激活步驟合成RNA分子，RNA引物的合成，DNA聚合酶將第一個脫氧核苷酸加到引物RNA的3'-OH末端複製引發的關鍵步驟就是前導鏈DNA的合成，一旦前導鏈DNA的聚合作用開始，滯後鏈上的DNA合成也隨著開始，在所有前導鏈開始聚合之前有一必需的步驟就是由RNA聚合酶(不是引物酶)沿滯後鏈模板轉錄一短的RNA分子。
在有些DNA複製中，(如質粒ColE)，該RNA分子經過加式成為DNA複製的引物。但是，在大部分DNA複製中，該RNA分子沒有引物作用。它的作用似乎只是分開兩條DNA鏈，暴露出某些特定序列以便引發體與之結合，在前導鏈模板DNA上開始合成RNA引物，這個過程稱為轉錄激活(transcriptionalactivation)，在前導鏈的複製引發過程中還需要其他一些蛋白質，如大腸桿菌的dnaA蛋白。這兩種蛋白質可以和複製起點處DNA上高度保守的4個9bp長的序列結合，其具體功能尚不清楚。
可能是這些蛋白質與DNA複製起點結合後能促進DNA聚合酶Ⅲ複合體的七種蛋白質在複製起點處裝配成有功能的全酶。DNA複製開始時，DNA螺旋酶首先在複製起點處將雙鏈DNA解開，通過轉錄激活合成的RNA分子也起分離兩條DNA鏈的作用，然後單鏈DNA結合蛋白質結合在被解開的鏈上。由複製因子X(n蛋白)，複製因子Y(n'蛋白)，n"蛋白，i蛋白，dnaB蛋白和dnaC蛋白等6種蛋白質組成的引發前體(preprimosome)，在單鏈DNA結合蛋白的作用下與單鏈DNA結合生成中間物，這是一種前引發過程。
引發前體進一步與引物酶(primase)組裝成引發體(primosome)。引發體可以在單鏈DNA上移動，在dnaB亞基的作用下識別DNA複製起點位置。首先在前導鏈上由引物酶催化合成一段RNA引物，然後，引發體在滯後鏈上沿5'→3'方向不停的移動(這是一種相對移動，也可能是滯後鏈模板在移動，見後)，在一定距離上反覆合成RNA引物供DNA聚合酶Ⅲ合成岡崎片段使用，引發體中許多蛋白因子的功能尚不清楚。
但是，這些成份必須協同工作才能使引發體在滯後鏈上移動，識別合適的引物合成位置，並將核苷酸在引發位置上聚合成RNA引物。由於引發體在滯後鏈模板上的移動方向與其合成引物的方向相反，所以在滯後鏈上所合成的RNA引物非常短，一般只有3-5個核苷酸長。而且，在同一種生物體細胞中這些引物都具有相似的序列，表明引物酶要在DNA滯後鏈模板上比較特定的位置(序列)上才能合成RNA引物。
為什麼需要有RNA引物來引發DNA複製呢?這可能儘量減少DNA複製起始處的突變有關。DNA複製開始處的幾個核苷酸最容易出現差錯，因此，用RNA引物即使出現差錯最後也要被DNA聚合酶Ⅰ切除，提高了DNA複製的準確性。RNA引物形成後，由DNA聚合酶Ⅲ催化將第一個脫氧核苷酸按鹼基互補原則加在RNA引物3'-OH端而進入DNA鏈的延伸階段。
為什麼需要有RNA引物來引發DNA複製呢?這可能儘量減少DNA複製起始處的突變有關。DNA複製開始處的幾個核苷酸最容易出現差錯，因此，用RNA引物即使出現差錯最後也要被DNA聚合酶Ⅰ切除，提高了DNA複製的準確性。RNA引物形成後，由DNA聚合酶Ⅲ催化將第一個脫氧核苷酸按鹼基互補原則加在RNA引物3'-OH端而進入DNA鏈的延伸階段。
DNA鏈的延伸
DNA新生鏈的合成由DNA聚合酶Ⅲ所催化，然而，DNA必須由螺旋酶在複製叉處邊移動邊解開雙鏈。這樣就產生了一種拓撲學上的問題:由於DNA的解鏈，在DNA雙鏈區勢必產生正超螺旋，在環狀DNA中更為明顯，當達到一定程度後就會造成複製叉難再繼續前進，從而終止DNA複製。但是，在細胞內DNA複製不會因出現拓撲學問題而停止。
有兩種機制可以防止這種現象發生:[1]DNA在生物細胞中本身就是超螺旋，當DNA解鏈而產生正超螺旋時，可以被原來存在的負超螺旋所中和;[2]DNA拓撲異構酶Ⅰ要以打開一條鏈，使正超螺旋狀態轉變成鬆弛狀態，而DNA拓撲異構酶Ⅱ(旋轉酶)可以在DNA解鏈前方不停地繼續將負超螺旋引入雙鏈DNA。這兩種機制保證了無論是環狀DNA還是開環DNA的複製順利的解鏈，再由DNA聚合酶Ⅲ合成新的DNA鏈。
前已述及DNA生長鏈的延伸主要由DNA聚合酶催化，該酶是由7種蛋白質(多肽)組成的聚合體，稱為全酶。全酶中所有亞基對完成DNA複製都是必需的。α亞基具有聚合功能和5'→3'外切酶活性，ε亞基具有3'→5'外切酶活性。另外，全酶中還有ATP分子它是DNA聚合酶Ⅲ催化第一個脫氧核糖核苷酸連線在RNA引物上所必需的，其他亞基的功能尚不清楚。
在DNA複製叉處要能由兩套DNA聚合酶Ⅲ在同一時間分別進行複製DNA前導鏈和滯後鏈。如果滯後鏈模板環繞DNA聚合酶Ⅲ全酶，並通過DNA聚合酶Ⅲ，然後再折向與未解鏈的雙鏈DNA在同一方向上，則滯後鏈的合成可以和前導鏈的合成在同一方向上進行。
這樣，當DNA聚合酶Ⅲ沿著滯後鏈模板移動時，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，滯後鏈模板及剛合成的岡崎片斷便從DNA聚合酶Ⅲ上釋放出來。這時，由於複製叉繼續向前運動，便產生了又一段單鏈的滯後鏈模板，它重新環繞DNA聚合酶Ⅲ全酶，並通過DNA聚合酶Ⅲ開始合成新的滯後鏈岡崎片段。通過這樣的機制，前導鏈的合成不會超過滯後鏈太多(最後只有一個岡崎片段的長度)。而且，這樣引發體在DNA鏈上和DNA聚合酶Ⅲ以同一速度移動。
按上述DNA複製的機制，在複製叉附近，形成了以兩套DNA聚合酶Ⅲ全酶分子、引發體和螺旋構成的類似核糖體大小的複合體，稱為DNA複製體(replisome)。複製體在DNA前導鏈模板和滯後鏈模板上移動時便合成了連續的DNA前導鏈和由許多岡崎片段組成的滯後鏈。在DNA合成延伸過程中主要是DNA聚合酶Ⅲ的作用。當岡崎片段形成後，DNA聚合酶Ⅰ通過其5'→3'外切酶活性切除岡崎片段上的RNA引物，同時，利用後一個岡崎片段作為引物由5'→3'合成DNA。最後兩個岡崎片段由DNA連線酶將其接起來，形成完整的DNA滯後鏈。
在DNA複製叉處要能由兩套DNA聚合酶Ⅲ在同一時間分別進行複製DNA前導鏈和滯後鏈。如果滯後鏈模板環繞DNA聚合酶Ⅲ全酶，並通過DNA聚合酶Ⅲ，然後再折向與未解鏈的雙鏈DNA在同一方向上，則滯後鏈的合成可以和前導鏈的合成在同一方向上進行。
這樣，當DNA聚合酶Ⅲ沿著滯後鏈模板移動時，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，滯後鏈模板及剛合成的岡崎片斷便從DNA聚合酶Ⅲ上釋放出來。這時，由於複製叉繼續向前運動，便產生了又一段單鏈的滯後鏈模板，它重新環繞DNA聚合酶Ⅲ全酶，並通過DNA聚合酶Ⅲ開始合成新的滯後鏈岡崎片段。通過這樣的機制，前導鏈的合成不會超過滯後鏈太多(最後只有一個岡崎片段的長度)。而且，這樣引發體在DNA鏈上和DNA聚合酶Ⅲ以同一速度移動。
按上述DNA複製的機制，在複製叉附近，形成了以兩套DNA聚合酶Ⅲ全酶分子、引發體和螺旋構成的類似核糖體大小的複合體，稱為DNA複製體(replisome)。複製體在DNA前導鏈模板和滯後鏈模板上移動時便合成了連續的DNA前導鏈和由許多岡崎片段組成的滯後鏈。在DNA合成延伸過程中主要是DNA聚合酶Ⅲ的作用。當岡崎片段形成後，DNA聚合酶Ⅰ通過其5'→3'外切酶活性切除岡崎片段上的RNA引物，同時，利用後一個岡崎片段作為引物由5'→3'合成DNA。最後兩個岡崎片段由DNA連線酶將其接起來，形成完整的DNA滯後鏈。
DNA複製的終止
過去認為，DNA一旦複製開始，就會將該DNA分子全部複製完畢，才終止其DNA複製。但最近的實驗表明，在DNA上也存在著複製終止位點，DNA複製將在複製終止位點處終止，並不一定等全部DNA合成完畢。但目前對複製終止位點的結構和功能了解甚少在DNA複製終止階段令人困惑的一個問題是，線性DNA分子兩端是如何完成其複製的?已知DNA複製都要有RNA引物參與。當RNA引物被切除後，中間所遺留的間隙由DNA聚合Ⅰ所填充。但是，線上性分子的兩端以5'→3'為模板的滯後鏈的合成，其末端的RNA引物被切除後是無法被DNA聚合酶所填充的。
在研究T7DNA複製時，這個問題部分地得到了解決。T7DNA兩端的DNA序列區有160bp長的序列完全相同。而且，在T7DNA複製時，產生的子代DNA分子不是一個單位T7DNA長度，而是許多單位長度的T7DNA首尾連線在一起。T7DNA兩個子代DNA分子都會有一個3'端單鏈尾巴，兩個子代DNA的3'端尾巴以互補結合形成兩個單位T7DNA的線性連線。然後由DNA聚合酶Ⅰ填充和DNA連線酶連線後，繼續複製便形成四個單位長度的T7DNA分子。這樣複製下去，便可形成多個單位長度的T7DNA分子。這樣的T7DNA分子可以被特異的內切酶切開，用DNA聚合酶填充與親代DNA完全一樣的雙鏈T7DNA分子。
在研究痘病毒複製時，發現了線性DNA分子完成末端複製的第二種方式。痘病毒DNA在兩端都形成髮夾環狀結構。DNA複製時，線上性分子中間的一個複製起點開始，雙向進行，將髮夾環狀結構變成雙鏈環狀DNA。然後，在髮夾的中央將不同DNA鏈切開，使DNA分子變性，雙鏈分開。這樣，在每個分子兩端形成一個單鏈尾端要以自我互補，形成完整的髮夾結構，與親代DNA分子一樣。在真核生物染色體線性DNA分子複製時，尚不清楚末端的複製過程是怎樣進行的。也可能像痘病毒那樣形成髮夾結構而進行複製。
在研究T7DNA複製時，這個問題部分地得到了解決。T7DNA兩端的DNA序列區有160bp長的序列完全相同。而且，在T7DNA複製時，產生的子代DNA分子不是一個單位T7DNA長度，而是許多單位長度的T7DNA首尾連線在一起。T7DNA兩個子代DNA分子都會有一個3'端單鏈尾巴，兩個子代DNA的3'端尾巴以互補結合形成兩個單位T7DNA的線性連線。然後由DNA聚合酶Ⅰ填充和DNA連線酶連線後，繼續複製便形成四個單位長度的T7DNA分子。這樣複製下去，便可形成多個單位長度的T7DNA分子。這樣的T7DNA分子可以被特異的內切酶切開，用DNA聚合酶填充與親代DNA完全一樣的雙鏈T7DNA分子。
在研究痘病毒複製時，發現了線性DNA分子完成末端複製的第二種方式。痘病毒DNA在兩端都形成髮夾環狀結構。DNA複製時，線上性分子中間的一個複製起點開始，雙向進行，將髮夾環狀結構變成雙鏈環狀DNA。然後，在髮夾的中央將不同DNA鏈切開，使DNA分子變性，雙鏈分開。這樣，在每個分子兩端形成一個單鏈尾端要以自我互補，形成完整的髮夾結構，與親代DNA分子一樣。在真核生物染色體線性DNA分子複製時，尚不清楚末端的複製過程是怎樣進行的。也可能像痘病毒那樣形成髮夾結構而進行複製。
但最近的實驗表明，真核生物染色體末端DNA複製是由一種特殊的酶將一個新的末端DNA序列加在剛剛完成複製的DNA末端。這種機制首先在四膜蟲中發現。該生物細胞的線性DNA分子末端有30-70拷貝的5'TTGGGG3'序列，該細胞中存在一種酶可以將TTGGGG序列加在事先已存在的單鍵DNA末端的TTGGGG序列上。這樣有較長的末端單鏈DNA，可以被引物酶重新引發或其他的酶蛋白引發而合成RNA引物，並由DNA聚合酶將其變成雙鏈DNA。這樣就可以避免其DNA隨著複製的不斷進行而逐漸變短。
在環狀DNA的複製的末端終止階段則不存在上述問題。環狀DNA複製到最後，由DNA拓撲異構酶Ⅱ切開雙鏈DNA，將兩個DNA分子分開成為兩個完整的與親代DNA分子一樣的子代DNA。
高中生物範疇下的DNA複製
DNA的複製是一個邊解旋邊複製的過程。複製開始時，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，這個過程叫解旋。然後，以解開的每一段母鏈為模板，以周圍環境中的四種脫氧核苷酸為原料，按照鹼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。隨著解旋過程的進行，新合成的子鏈也不斷地延伸，同時，每條子鏈與其母鏈盤繞成雙螺旋結構，從而各形成一個新的DNA分子。這樣，複製結束後，一個DNA分子，通過細胞分裂分配到兩個子細胞中去！
在環狀DNA的複製的末端終止階段則不存在上述問題。環狀DNA複製到最後，由DNA拓撲異構酶Ⅱ切開雙鏈DNA，將兩個DNA分子分開成為兩個完整的與親代DNA分子一樣的子代DNA。
高中生物範疇下的DNA複製
DNA的複製是一個邊解旋邊複製的過程。複製開始時，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，這個過程叫解旋。然後，以解開的每一段母鏈為模板，以周圍環境中的四種脫氧核苷酸為原料，按照鹼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。隨著解旋過程的進行，新合成的子鏈也不斷地延伸，同時，每條子鏈與其母鏈盤繞成雙螺旋結構，從而各形成一個新的DNA分子。這樣，複製結束後，一個DNA分子，通過細胞分裂分配到兩個子細胞中去！
