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DNA的結構

DNA通常是一個雙鏈的結構，兩條單鏈互相盤繞從而表現(xiàn)出雙螺旋結構。脫氧核糖核苷酸是DNA的單體。DNA的每一條單鏈都是由四種堿基不同的脫氧核糖核苷酸構成的，這四種堿基即：腺嘌呤（ A ）、胞嘧啶（ C ）、鳥嘌呤（ G ）和胸腺嘧啶（ T ）。一個核苷酸可以是一磷酸、二磷酸或者三磷酸的，也就是說，一個脫氧核糖連接著一個、兩個或者三個磷酸基團。每條單鏈中相鄰的脫氧核糖核苷酸都通過化學反應生成磷酸二酯鍵相連接，以此形成了DNA雙螺旋結構中由磷酸基團和脫氧核糖組成的骨架，而骨架里面既是堿基對。兩條單鏈之間的核苷（即堿基）通過氫鍵形成堿基對相連。一般情況下，A只與T相連，而C只與G相連。

DNA鏈是具有方向性的，對于DNA的一條單鏈來說，它的兩個末端分別被命名為“3"端”和“5"端”。DNA兩條單鏈的結構之所以被描述為“反向平行雙螺旋”，其中的“反向”即指兩條單鏈中，一條鏈的方向是從3"端到5"端，而另一條則相反，是從5’端到3’端。5和3指的是在一個脫氧核糖中連接著相鄰的磷酸基團的兩個碳原子。方向性對于DNA合成有重要的意義，因為在DNA合成的過程中，DNA聚合酶只能向3"端的方向添加新的脫氧核糖核苷酸。

DNA中兩條鏈的堿基是通過氫鍵連接實現(xiàn)一一配對的，這意味著一個DNA中的兩條單鏈都包含著完全相同的信息。這樣，一條單鏈中的核苷酸可以用來重建互補鏈中預期相對的核苷酸。

DNA聚合酶

DNA聚合酶在一條鏈的5"端添加核苷酸。如果意外地出現(xiàn)了一個錯配，那么DNA聚合酶將會停止繼續(xù)合成DNA。校正機制會移去錯配的核苷酸，之后繼續(xù)合成DNA。

在所有形式的DNA復制中，DNA聚合酶都是必需的一類酶。不過，一個DNA聚合酶只能根據(jù)模板鏈，延長已經(jīng)存在的DNA鏈，并不能直接開始合成一條新鏈以起始DNA復制。要起始DNA復制，必須先合成一小段與模板鏈配對的，被稱之為引物的DNA或者RNA鏈。

之后，DNA聚合酶會通過磷酸二酯鍵的連接，添加與模板鏈配對的核苷酸，從而向引物鏈的3"端方向合成DNA。每一個未結合的堿基都連著三個磷酸基，DNA合成的能量即來自于其中的兩個磷酸基。（自由的堿基和與之相連的磷酸基團統(tǒng)稱為三磷酸核苷）當一個核苷酸被添加到正在延長的DNA鏈上時，它的兩個磷酸基團將脫落，釋放的能量將會生成一個磷酸二酯鍵把剩下的磷酸基團和DNA鏈連接起來。這樣的能量機制也可以用來解釋復制的方向性——如果DNA是從3"端向5"端合成的話，那么能量就會通過5"端提供而不是自由的核苷酸了。

一般來說，DNA聚合酶是相當精準的，每添加10^7個核苷酸，發(fā)生的錯誤不超過一個。即使是這樣，有些DNA聚合酶也具有校正的能力，他們可以移除錯配的堿基。如果5"端核苷酸在校正的過程中需要被移除，那么三磷酸末端就會丟失。因此，用于提供添加新核苷酸的能量來源也就丟失了。

預測和實驗

DNA復制是透過名為半保留復制的機制來得以順利完成的。半保留復制是由沃森與克里克所預測，并且由馬修·梅塞爾森（Matthew Meselson）和富蘭克林·斯塔爾（Franklin Stahl）于1958年進行研究而得以證實。

預測

沃森和克里克在提出DNA的雙螺旋結構模型時就對DNA的復制過程進行了預測。由于DNA堿基對的配對原則，兩條鏈是互補的，因此，雙鏈中的任意一條鏈都含有完整的遺傳信息。沃森和克里克推測，在DNA復制過程中氫鍵首先斷裂，雙螺旋解旋并被分開，每條鏈分別作為模板各自合成一條新的互補鏈。這樣就產(chǎn)生了兩個與原來DNA分子的堿基順序一樣的新的DNA分子。而新DNA分子的一條鏈來自親代DNA分子，另一條鏈是新合成的，因此，這種復制方式稱為半保留復制。

實驗

1958年，馬修·梅塞爾森（Matthew Meselson）和富蘭克林·斯塔爾（Franklin Stahl）用同位素標記法和氯化銫密度梯度離心法證明了沃森和克里克的半保留復制模型。這個實驗被稱作梅塞爾森-斯達爾實驗。

過程

脫氧核糖核酸A-T堿基對只有兩條氫鍵相連。

復制可以分為以下幾個階段：

起始階段：DNA解旋酶在局部展開雙螺旋結構的DNA分子為單鏈，引物酶辨認起始位點，以解開的一段DNA為模板，按照5"到3"方向合成RNA短鏈。形成RNA引物。

DNA片段的生成：在引物提供了3"-OH末端的基礎上，DNA聚合酶催化DNA的兩條鏈同時進行復制過程，由于復制過程只能由5"->3"方向合成，因此一條鏈能夠連續(xù)合成，另一條鏈分段合成，其中每一段短岡崎片段崎片段（Okazaki fragments）。

RNA引物的水解：當DNA合成一定長度后，DNA聚合酶水解RNA引物，補填缺口。

DNA連接酶將DNA片段連接起來，形成完整的DNA分子。最后DNA新合成的片段在旋轉酶的幫助下重新形成螺旋狀。

起始

進行DNA起始位點作用的引發(fā)器。

細胞若要分裂，必先復制其DNA。這個過程在DNA上的一個特殊位點上開始，稱之為“起始位點(origin of replication, ori)，該序列被歸類為共同序列(consenseus sequence)，因為此處核苷酸序列基本上都是相同，相關的解螺旋酶作用于這個位點，DNA的雙鏈被分開，復制隨即開始。起始位點包含一段可以被復制啟動蛋白（比如大腸桿菌中的dnaA以及酵母菌中的起始點識別復合物）識別的DNA序列。這些啟動蛋白吸引其他的蛋白質把DNA的雙鏈打開并開啟復制叉。

啟動蛋白吸引其他相關蛋白組成了前復制復合物，它可以在起始位點打開DNA鏈并形成一個泡。起始位點的序列傾向于富含A-T堿基對，這有益于啟動的實現(xiàn)，因為A-T堿基對只有兩條氫鍵相連（C-G堿基對有三個），一般來說，這樣的結構使得打開雙鏈更加容易，因為氫鍵的數(shù)量越多則打斷它們需要的能量也越多。

所有已知的DNA復制系統(tǒng)在復制開始前都需要一個自由的3"羥基?，F(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)四種不同的復制機制。

所有的真核生物、許多DNA病毒、噬菌體和質粒用引物酶合成一小段包含有一個自由3"羥基的RNA引物，DNA聚合酶隨后會順著3"羥基延長序列。

反轉錄轉座子（包括反轉錄病毒）在反轉錄酶的輔作用下利用轉移RNA為DNA的復制延伸提供自由3′ OH。

在腺病毒和細菌噬菌體φ29家族中，DNA聚合酶將核苷酸添加到基因組附蛋白以合成新鏈，組成基因組附蛋白的氨基酸側鏈提供3" OH。

在單鏈DNA病毒（包括環(huán)狀病毒、雙粒病毒、細小病毒以及其他單鏈DNA病毒）、許多噬菌體和質粒中，采用環(huán)狀復制機制（RCR）。RCR內切酶先在基因鏈上（對于單鏈病毒）或者DNA的一條鏈上（對于質粒）制造一個缺口。缺口鏈的5"端被運送到核酸酶的酪氨酸殘基上，而自由的3"羥基端則被用作DNA聚合酶復制新鏈的起點。

這些機制中被了解最深入的是真核生物的復制機制。DNA首先解開螺旋，雙鏈被打開，RNA引物與模板鏈結合。特別來說，前導鏈的活動區(qū)域只結合一個RNA引物；而后隨鏈則結合幾個，這幾個RNA引物生成的斷斷續(xù)續(xù)的后隨鏈稱之為岡崎片段，以其發(fā)現(xiàn)者命名。

DNA聚合酶在合成前導鏈時是持續(xù)合成的，而在后隨鏈時卻是不連續(xù)合成的（這是因為合成的方向性，請參考岡崎片段）。RNA水解酶（RNase）會水解那些曾用于使DNA聚合酶起始復制的RNA片段，另一些DNA聚合酶會進去缺口并生成DNA填補缺口。當這一步完成時，前導鏈的一個缺口和后隨鏈的數(shù)個缺口都會被填補上。DNA連接酶將會填補這些缺口，從而完成新DNA分子的合成。

古菌、真核生物在這個過程中使用的引物酶，和細菌使用的有所不同。細菌用的引發(fā)酶屬于DnG蛋白質超家族含有一個TOPRIM折疊型的催化域。TOPRIM折疊包含一個α/β核心和四條保守鏈，以羅斯曼拓撲結構存在。這種結構同時在許多酶的催化結構域中發(fā)現(xiàn)，如拓撲異構酶I a,拓撲異構酶II,OLD家族核酸酶，與RecR蛋白有關的DNA修復蛋白。

比較而言，古菌和真核生物中的引發(fā)酶含有高度派生的RNA識別模式。這種引發(fā)酶在結構上和許多參與DNA復制與修復的酶相似，如：依賴于RNA的RNA聚合酶，反轉錄酶，核苷酸生成循環(huán)酶，A/B/Y家族的DNA聚合酶。所有這些蛋白質共有一個催化機制：雙向金屬離子介導的核苷酸轉移，其中在第一條鏈末端和RRM-LIKE單位的第二條鏈和第三條鏈之間分別附著著兩個酸性核酸殘基，由二價陽離子螯合。

隨著DNA合成的繼續(xù)，原始DNA鏈繼續(xù)沿復制泡兩邊解旋，形成具有兩個叉子的復制叉結構。在細菌的環(huán)形染色體上只有一個復制起始位點，復制過程最終形成一個θ結構。比較起來，真核生物具有較長的線性染色體，可在多個位點進行復制起始。

復制叉

圖為復制叉。圖解：a為模板DNA；b為前進股、c為延遲股、d為復制叉、e為引子、f為岡崎片段。

復制叉是細胞核內DNA復制時形成的結構。這是由解旋酶創(chuàng)造的，解旋酶用來打斷連接兩條DNA鏈的氫鍵。復制叉有兩個由DNA單鏈組成的“叉子”。這兩條打開的單鏈將會作為前導鏈和后隨鏈的模板，前導鏈和后隨鏈將會由DNA聚合酶按堿基互補配對原則依照模板鏈合成。模板鏈的信息可以被嚴格地復制到前導鏈和后隨鏈上。

前導鏈

合成后的前導鏈（ 英語： Leading strand ）作為新DNA的模板鏈，所以復制叉沿3"向5"移動。從而使新合成的鏈與原始鏈互補，在新鏈沿著5"到3"合成DNA，這和復制叉移動的方向相同。

在前導鏈上，一個聚合酶不斷地“閱讀”被復制的DNA并向前導鏈添加核苷酸。這個聚合酶就是原核生物中的DNA聚合酶Ⅲ（DNA Pol III）；在酵母菌中，推測是聚合酶ε。在人體細胞中，前導鏈和后隨鏈在細胞核中是由聚合酶α和聚合酶δ合成，在線粒體中由聚合酶γ合成。在特殊情況下聚合酶ε可以替代聚合酶δ。

后隨鏈

后隨鏈（ 英語： Lagging strand ）是新DNA雙鏈的編碼鏈，所以復制叉沿5"向3"移動。因為它的方向性和DNA聚合酶Ⅲ從3"到5"的工作方向相反，復制過程在后隨鏈上比前導鏈更為復雜。

在后隨鏈上，引物酶“讀”DNA并添加數(shù)小段分開的RNA引物。在真核生物中引物酶是聚合酶α。DNA聚合酶Ⅲ或聚合酶δ延長引物片段，形成岡崎片段。之后引物的去除也由聚合酶α完成。而在原核細胞中，DNA聚合酶Ⅰ（DNA polymerase I）將RNA引物去除后再用對應的脫氧核糖核苷酸替換。最后DNA連接酶再將片段連接起來。

參考文獻

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