|
|
主要内容
生物
DNA复制的分子机制
DNA聚合酶和其他复制酶的角色。前导链、后随链和冈崎片段。
要点：
-
DNA复制是 半保留的 。双螺旋的每一条链充当新的，补充链合成的模板。
-
新DNA是由叫做 DNA 聚合物 的酶组成的。它需要模板和 引物 （起始物）并以 5' 到 3' 的方向合成DNA。
-
在DNA复制期间，一条新链（ 前导链 ）制成连续的片段。另一条链（ 滞后链 ）制成多个小的片段。
-
DNA复制需要除DNA聚合物之外的其它酶，包括 DNA引发酶 、 DNA解旋酶 、 DNA连接酶 和 拓扑异构酶 。
介绍
DNA复制
，或者复制一个细胞的DNA，不是一个简单的事情！有大约
3
3
亿
start text, 亿, end text
DNA基因组中的基本对，它们所有必须在你的万亿细胞中任意一个分裂时被准确复制。
1
start superscript, 1, end superscript
DNA复制的基本机制在生物体中相似。 在本文中，我们将着重于发生于细菌
大肠杆菌
的DNA复制，但是复制机制在人类和其他真核生物中相似。
让我们看一下进行复制的蛋白质和酶，看看它们是如何一起运作来保证准确和完整的DNA复制。
基本概念
DNA复制是
半保留的
，意思是DNA双螺旋的每个链充当新的补充链合成的模板。
这个过程将一个起始分子分成两个“女儿”分子，每个新形成的双螺旋包含一条新链和一条旧链。
沃森和克里克的基本DNA复制模式。
-
DNA双螺旋结构。
-
氢键断裂，螺旋结构打开。
-
每条DNA链都是合成新的互补链的模板。
-
复制产生两个相同的DNA双螺旋，每个都有一条新链和一条旧链。
从某种意义上，这就是DNA复制的全部！但是其实关于这个过程的最有趣的地方是它在细胞中如何进行。
细胞需要快速地复制它们的DNA，并且得有很少错误（或者例如癌症等风险问题）。为此，它们用各种各样的酶和蛋白质，它们一起工作来确保DNA复制顺利并准确地表现。
DNA聚合酶
DNA复制中其中一个关键分子是
DNA聚合酶
。DNA聚合酶负责合成DNA：它们将核苷酸一个一个加到增长的DNA链中，只合并那些和模板互补的。
以下是DNA聚合酶的主要特征：
-
总是需要模板
-
只能将核苷酸加到DNA链的三端末尾
-
无法从头开始制作DNA链，需要预先存在的链或者一小段核苷酸，即 引物
-
校对 ，或者检查工作，这清除了绝大多数意外添加到链中的“错误”核苷酸
添加核苷酸需要能量。这个能量来自于核苷酸自己，它们有三个附着的磷酸盐（比较像承载能量的ATP分子）。当磷酸盐之间的键断了，释放的能量被用来生产即将形成的核苷酸和增长的链之间的键。
在原核生物中，例如
大肠杆菌
，里面有两个主要的DNA聚合酶参加DNA复制：DNA 聚合酶 III (主要DNA制造者)，以及DNA聚合酶I，它起了重要的支持作用。
开始DNA复制
DNA聚合酶和其他复制因子如何知道从哪里开始？复制总是在DNA某些地方开始，这些地方被称为
复制起点
并被其序列识别。
大肠杆菌
，像大多数细菌一样， 染色体上有一个复制起点。该起点大约有
2
4
5
245
个碱基对，并有大多数A/T碱基对（比G/C碱基对需要更少的氢键就能合在一起），使DNA链更易于分离。
特殊蛋白质识别起源，绑定到这个点，并打开DNA。当DNA打开时，两个叫做
复制叉
的Y形结构被形成了，一起组成
复制泡
。复制叉将移动到和复制过程相反的方向。
细菌染色体。 环状细菌染色体的双链DNA在复制起点处打开，形成复制气泡。 气泡的每个末端都是复制叉，是一个Y形连接点，其中双链DNA分为两条单链。 在每个复制叉处合成与每个单链互补的新DNA。 两个叉沿细菌染色体的圆周沿相反方向移动，从而在两端形成越来越大的复制气泡。
图表基于Reece et al中的相似图表
2
squared
。
复制实际上是如何在叉里进行的呢？
螺旋酶
是第一个在复制源上加载的复制酶
3
cubed
。螺旋酶的工作是通过“解开”DNA（破坏含氮碱基对之间的氢键）将复制叉向前移动。
称为
单链结合蛋白质
的蛋白质将复制的DNA链包裹在复制叉中，以防止它们重新结合成双螺旋。
引物和引发酶
DNA聚合酶只能将核苷酸加到已存在的DNA链的三端末尾。（它们使用在三端末尾发现的游离-OH基团作为“钩子”，在聚合反应中向该基团添加核苷酸。）那么，DNA聚合酶如何在新的复制叉中添加第一个核苷酸？
它无法独立做到！问题在叫做
引发酶
的酶的帮助下得到解决。引发酶使核糖核酸成为
引物
，即与模板互补的，为DNA聚合酶提供三段末尾的短链核酸。引物
引发
DNA合成，即使其开始。
一旦核糖核酸引物到位，DNA聚合酶“展开”，一个一个添加核苷酸来制成一条与模板链互补的新的DNA链。
前导链和滞后链
在大肠杆菌中
，处理大多数合成的DNA聚合酶是DNA聚合酶III。在复制叉中有两个DNA聚合酶III分子，每一个在两个新DNA链中的一个上工作。
DNA聚合酶只能在5‘到3‘的方向里制成DNA，这在复制期间是个问题。一个DNA双螺旋永远是反向平行的；换句话说，在另外的链从3’到5‘方向运作的同时，一条链在5‘到3‘的方向上。这使得必须以略微不同的方式制造两条与它们的模板反平行的新链。
一条从5'到3'向着复制叉运作的新链是简单的。因为DNA聚合酶和复制叉朝着同一方向移动，这条链持续不断地生成。这条连续不断的合成链叫做
前导链
。
另外一条远离叉从5'到3‘运作的新链比较棘手。因为当叉移动时，DNA聚合酶（远离叉）必须脱落并重新附着在新暴露的DNA上，所以这条链以碎片制成。这条棘手的、以碎片制成的链，被称为
滞后链
。
这些小碎片被称为
冈崎片段
，以发现它们的日本科学家命名。前导链可以从一个引物单独展开，而滞后链需要为每个短的冈崎片段提供引物。
维护和清理的成员
除了以上主要的以外，也需要一些其他的蛋白质和酶使DNA复制持续地顺利运作。一个蛋白质叫做
滑动夹子
，它在DNA聚合酶III合成DNA时维持它们的分子。滑动夹子是环状蛋白，并当新的冈崎片段重新开始时，使滞后链的DNA聚合酶不会浮动。
4
start superscript, 4, end superscript
拓扑异构酶
也在DNA复制期间起到了重要的修复角色。这种酶可以防止复制叉之前的DNA双螺旋在打开DNA时缠绕得太紧。 它的作用是在螺旋中形成临时刻痕以释放张力，然后密封刻痕以避免永久损坏。
最后，如果我们想要不包含任何核糖核酸或者缝隙的DNA，还有一些清理工作。核糖核酸引物被DNA通过
DNA聚合酶I
的活动移除并替代，一些其他聚合酶参与复制。更换引物后残留的缺口被
DNA连接酶
密封。
大肠杆菌 中的DNA复制
让我们放大来看酶和蛋白质如何一起参与复制来合成新的DNA。
该图显示了复制叉。 解旋酶解开螺旋结构，单链结合蛋白阻止螺旋结构重新形成。 拓扑异构酶可防止DNA在复制叉之前紧紧缠绕。 DNA引物酶形成RNA引物，DNA聚合酶从RNA引物延伸到DNA链。 DNA合成仅在5'至3'方向发生。 在前导链上，DNA合成连续进行。 在滞后链上，随着螺旋的展开，DNA合成会重新启动许多次，从而产生许多称为“冈崎片段”的短片段。DNA连接酶将冈崎片段连接在一起成为单个DNA分子。
-
解旋酶 在复制叉打开DNA。
-
单链结合蛋白质 将DNA包覆在复制叉周围，以防止DNA复卷。
-
拓扑异构酶 在复制分支之前的区域工作，以防止超螺旋。
-
引发酶 合成与DNA链互补的核糖核酸引物。
-
DNA聚合酶 III 展开引物，添加到3'末端，以制造大部分新DNA。
-
核糖核酸引物被 DNA 聚合酶 I 移除并替换。
-
DNA碎片之间的空隙被 DNA连接酶 密封。
真核生物的DNA复制
DNA复制的基本原理在细菌和真核生物（例如人类）之间相似，但也存在一些差异：
-
真核生物通常具有多个线性染色体，每个都有多个复制起点。 人类最多可以复制 1 0 0 , 100, comma 0 0 0 000 个复制源 5 start superscript, 5, end superscript ！
-
大多数 大肠杆菌 酶 在真核DNA复制中具有对应物，但单个 大肠杆菌 酶可能由真核生物中的多种酶代表。 例如，有五种人类DNA聚合酶在复制中起重要作用 5 start superscript, 5, end superscript 。
-
大多数真核染色体是线性的。 由于形成滞后链的方式，线性染色体末端在每一轮的复制中丢失了一些DNA( 端粒 ) 。