Biology 版 (精华区)

发信人: cameran (竹晨), 信区: Biology
标  题: DNA复制的过程
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年07月04日12:47:13 星期三), 站内信件


 DNA复制的过程
　　DNA复制过程大致可以分为复制的引发，DNA链的延伸和DNA复制的终止三个阶段。
(一)DNA复制的引发
　　复制的引发(Priming)阶段包括DNA复制起点双链解开，通过转录激活步骤合成RNA分
子，RNA引物的合成，DNA聚合酶将第一个脱氧核苷酸加到引物RNA的3'-OH末端复制引发
的关键步骤就是前导链DNA的合成，一旦前导链DNA的聚合作用开始，滞后链上的DNA合成
也随着开始，在所有前导链开始聚合之前有一必需的步骤就是由RNA聚合酶(不是引物酶
)沿滞后链模板转录一短的RNA分子。在有些DNA复制中，(如质粒ColE)，该RNA分子经过
加式成为DNA复制的引物。但是，在大部分DNA复制中，该RNA分子没有引物作用。它的作
用似乎只是分开两条DNA链，暴露出某些特定序列以便引发体与之结合，在前导链模板D
NA上开始合成RNA引物，这个过程称为转录激活(transcriptional activation)，在前导
链的复制引发过程中还需要其他一些蛋白质，如大肠杆菌的dnaA蛋白。这两种蛋白质可
以和复制起点处DNA上高度保守的4个9bp长的序列结合，其具体功能尚不清楚。可能是这
些蛋白质与DNA复制起点结合后能促进DNA聚合酶Ⅲ复合体的七种蛋白质在复制起点处装
配成有功能的全酶。DNA复制开始时，DNA螺旋酶首先在复制起点处将双链DNA解开，通过
转录激活合成的RNA分子也起分离两条DNA链的作用，然后单链DNA结合蛋白质结合在被解
开的链上。由复制因子X(n蛋白)，复制因子Y(n'蛋白)，n"蛋白，i蛋白，dnaB蛋白和dn
aC蛋白等6种蛋白质组成的引发前体(preprimosome)，在单链DNA结合蛋白的作用下与单
链DNA结合生成中间物，这是一种前引发过程。引发前体进一步与引物酶(primase)组装
成引发体(primosome)。引发体可以在单链DNA上移动，在dnaB亚基的作用下识别DNA复制
起点位置。首先在前导链上由引物酶催化合成一段RNA引物，然后，引发体在滞后链上沿
5'→3'方向不停的移动(这是一种相对移动，也可能是滞后链模板在移动，见后)，在一
定距离上反复合成RNA引物供DNA聚合酶Ⅲ合成冈崎片段使用，引发体中许多蛋白因子的
功能尚不清楚。但是，这些成份必须协同工作才能使引发体在滞后链上移动，识别合适
的引物合成位置，并将核苷酸在引发位置上聚合成RNA引物。由于引发体在滞后链模板上
的移动方向与其合成引物的方向相反，所以在滞后链上所合成的RNA引物非常短，一般只
有3-5个核苷酸长。而且，在同一种生物体细胞中这些引物都具有相似的序列，表明引物
酶要在DNA滞后链模板上比较特定的位置(序列)上才能合成RNA引物。
　　为什么需要有RNA引物来引发DNA复制呢?这可能尽量减少DNA复制起始处的突变有关
。DNA复制开始处的几个核苷酸最容易出现差错，因此，用RNA引物即使出现差错最后也
要被DNA聚合酶Ⅰ切除，提高了DNA复制的准确性。RNA引物形成后，由DNA聚合酶Ⅲ催化
将第一个脱氧核苷酸按碱基互补原则加在RNA引物3'-OH端而进入DNA链的延伸阶段。
(二)DNA链的延伸
　　DNA新生链的合成由DNA聚合酶Ⅲ所催化，然而，DNA必须由螺旋酶在复制叉处边移动
边解开双链。这样就产生了一种拓扑学上的问题:由于DNA的解链，在DNA双链区势必产生
正超螺旋，在环状DNA中更为明显，当达到一定程度后就会造成复制叉难再继续前进，从
而终止DNA复制。但是，在细胞内DNA复制不会因出现拓扑学问题而停止。有两种机制可
以防止这种现象发生:[1]DNA在生物细胞中本身就是超螺旋，当DNA解链而产生正超螺旋
时，可以被原来存在的负超螺旋所中和;[2]DNA拓扑异构酶Ⅰ要以打开一条链，使正超螺
旋状态转变成松弛状态，而DNA拓扑异构酶Ⅱ(旋转酶)可以在DNA解链前方不停地继续将
负超螺旋引入双链DNA。这两种机制保证了无论是环状DNA还是开环DNA的复制顺利的解链
，再由DNA聚合酶Ⅲ合成新的DNA链。前已述及DNA生长链的延伸主要由DNA聚合酶催化，
该酶是由7种蛋白质(多肽)组成的聚合体，称为全酶。全酶中所有亚基对完成DNA复制都
是必需的。α亚基具有聚合功能和5'→3'外切酶活性，ε亚基具有3'→5'外切酶活性。
另外，全酶中还有ATP分子它是DNA聚合酶Ⅲ催化第一个脱氧核糖核苷酸连接在RNA引物上
所必需的，其他亚基的功能尚不清楚。
　　在DNA复制叉处要能由两套DNA聚合酶Ⅲ在同一时间分别进行复制DNA前导链和滞后链
。如果滞后链模板环绕DNA聚合酶Ⅲ全酶，并通过DNA聚合酶Ⅲ，然后再折向与未解链的
双链DNA在同一方向上，则滞后链的合成可以和前导链的合成在同一方向上进行。
　　这样，当DNA聚合酶Ⅲ沿着滞后链模板移动时，由特异的引物酶催化合成的RNA引物
即可以由DNA聚合酶Ⅲ所延伸。当合成的DNA链到达前一次合成的冈崎片段的位置时，滞
后链模板及刚合成的冈崎片断便从DNA聚合酶Ⅲ上释放出来。这时，由于复制叉继续向前
运动，便产生了又一段单链的滞后链模板，它重新环绕DNA聚合酶Ⅲ全酶，并通过DNA聚
合酶Ⅲ开始合成新的滞后链冈崎片段。通过这样的机制，前导链的合成不会超过滞后链
太多(最后只有一个冈崎片段的长度)。而且，这样引发体在DNA链上和DNA聚合酶Ⅲ以同
一速度移动。
　　按上述DNA复制的机制，在复制叉附近，形成了以两套DNA聚合酶Ⅲ全酶分子、引发
体和螺旋构成的类似核糖体大小的复合体，称为DNA复制体(replisome)。复制体在DNA前
导链模板和滞后链模板上移动时便合成了连续的DNA前导链和由许多冈崎片段组成的滞后
链。在DNA合成延伸过程中主要是DNA聚合酶Ⅲ的作用。当冈崎片段形成后，DNA聚合酶Ⅰ
通过其5'→3'外切酶活性切除冈崎片段上的RNA引物，同时，利用后一个冈崎片段作为引
物由5'→3'合成DNA。最后两个冈崎片段由DNA连接酶将其接起来，形成完整的DNA滞后链
。
(三)DNA复制的终止
　　过去认为，DNA一旦复制开始，就会将该DNA分子全部复制完毕，才终止其DNA复制。
但最近的实验表明，在DNA上也存在着复制终止位点，DNA复制将在复制终止位点处终止
，并不一定等全部DNA合成完毕。但目前对复制终止位点的结构和功能了解甚少在NDA复
制终止阶段令人困惑的一个问题是，线性DNA分子两端是如何完成其复制的?已知DNA复制
都要有RNA引物参与。当RNA引物被切除后，中间所遗留的间隙由DNA聚合Ⅰ所填充。但是
，在线性分子的两端以5'→3'为模板的滞后链的合成，其末端的RNA引物被切除后是无法
被DNA聚合酶所填充的。
　　在研究T7DNA复制时，这个问题部分地得到了解决。T7DNA两端的DNA序列区有160bp
长的序列完全相同。而且，在T7DNA复制时，产生的子代DNA分子不是一个单位T7DNA长度
，而是许多单位长度的T7DNA首尾连接在一起。T7DNA两个子代DNA分子都会有一个3'端单
链尾巴，两个子代DNA的3'端尾巴以互补结合形成两个单位T7DNA的线性连接。然后由DN
A聚合酶Ⅰ填充和DNA连接酶连接后，继续复制便形成四个单位长度的T7DNA分子。这样复
制下去，便可形成多个单位长度的T7DNA分子。这样的T7DNA分子可以被特异的内切酶切
开，用DNA聚合酶填充与亲代DNA完全一样的双链T7DNA分子。
　　在研究痘病毒复制时，发现了线性DNA分子完成末端复制的第二种方式。痘病毒DNA
在两端都形成发夹环状结构。DNA复制时，在线性分子中间的一个复制起点开始，双向进
行，将发夹环状结构变成双链环状DNA。然后，在发夹的中央将不同DNA链切开，使DNA分
子变性，双链分开。这样，在每个分子两端形成一个单链尾端要以自我互补，形成完整
的发夹结构，与亲代DNA分子一样。在真核生物染色体线性DNA分子复制时，尚不清楚末
端的复制过程是怎样进行的。也可能像痘病毒那样形成发夹结构而进行复制。但最近的
实验表明，真核生物染色体末端DNA复制是由一种特殊的酶将一个新的末端DNA序列加在
刚刚完成复制的DNA末端。这种机制首先在四膜虫中发现。该生物细胞的线性DNA分子末
端有30-70拷贝的5'TTGGGG3'序列，该细胞中存在一种酶可以将TTGGGG序列加在事先已存
在的单键DNA末端的TTGGGG序列上。这样有较长的末端单链DNA，可以被引物酶重新引发
或其他的酶蛋白引发而合成RNA引物，并由DNA聚合酶将其变成双链DNA。这样就可以避免
其DNA随着复制的不断进行而逐渐变短。
　　在环状DNA的复制的末端终止阶段则不存在上述问题。环状DNA复制到最后，由DNA拓
扑异构酶Ⅱ切开双链DNA，将两个DNA分子分开成为两个完整的与亲代DNA分子一样的子代
DNA。

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欲讯秋情众莫知, 喃喃负手叩东篱。
孤标傲世偕谁隐，一样花开为底迟？
圃露庭霜何寂寞，鸿归蛩病可相思？
休言举世无谈者，解语何妨片语时。

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