DNA复制

[[File:DNA replication zh.png|thumb|350px|DNA复制]] '''DNA复制'''是指[[DNA]]双链在细胞分裂[[分裂间期]]进行的以一个[[亲代]]DNA[[分子]]为模板合成[[子代]]DNA链的过程。复制的结果是一条双链变成两条一样的双链（如果复制过程正常的话），每条双链都与原来的双链一样（排除[[突变]]等不定因素）。

DNA复制是一种在所有的生物体内都会发生的[[生物学]]过程，是生物[[遗传]]的基础。对于[[双链DNA]]，即绝大部分生物体内的DNA来说，在正常情况下，这个过程开始于一个亲代DNA分子,最后产生出两个相同的子代DNA分子。亲代双链DNA分子的每一条[[单链]]都被作为模板，用以合成新的互补单链，这一过程被称为[[半保留复制]]。[[细胞]]的[[校正(遗传学)|校正]]机制确保了DNA复制[[突变|近乎完美的]]准确性。<br />

在细胞当中，DNA复制起始于[[基因组]]的特殊[[位点]]，称为“起始位点”。起始于起始位点的DNA解链和新链的合成会形成[[复制叉]]。除了[[DNA聚合酶]]外，一些酶通过添加和模板相配的[[核苷酸]]来合成新DNA,一些和复制叉连接的其他[[蛋白]]对DNA的复制起始和延伸起辅助作用。<br />

DNA复制也可以在体外（即人工地）进行，从细胞中分离的DNA[[聚合酶和]]人造的DNA复制[[引物]]可以用来启动以已知序列的DNA分子为模板的复制，[[聚合酶链式反应]]（PCR）是一种常见的实验室技术，这种采用了循环方式的人工合成，在一个DNA池中[[扩增]]出特定的DNA片段。

[[Image:DNA replication split.svg|thumb|200px|right|DNA复制]]
此时，原本呈双螺旋结构的两条链已经打开，并且每一条单链都作为下一条新链的模板。各个[[核苷酸]]按照碱基互补配对原则被合成新的[[碱基对]]。

== DNA的结构 ==

{{Main|脱氧核糖核酸}}
DNA通常是一个双链的结构，两条单链互相盘绕从而表现出[[双股螺旋|双螺旋]]结构。[[脱氧核糖核苷酸]]是DNA的单体。DNA的每一条单链都是由四种碱基不同的脱氧核糖核苷酸构成的，这四种碱基即：[[腺嘌呤]]（'''A''')、[[胞嘧啶]]（'''C''')、[[鸟嘌呤]]（'''G'''）和[[胸腺嘧啶]]（'''T'''）。一个核苷酸可以是一[[磷酸]]、[[二磷酸]]或者三磷酸的，也就是说，一个[[脱氧核糖]][[磷酸化|连接]]着一个、两个或者三个磷酸基团。每条单链中相邻的脱氧核糖核苷酸都通过化学反应生成[[磷酸二酯键]]相连接，以此形成了DNA双[[螺旋结构]]中由磷酸基团和脱氧核糖组成的骨架，而骨架里面既是碱基对。两条单链之间的[[核苷]]（即碱基）通过氢键形成碱基对相连。一般情况下，A只与T相连，而C只与G相连。<br />

DNA链是具有方向性的，对于DNA的一条单链来说，它的两个末端分别被命名为“3'端”和“5'端”。DNA两条单链的结构之所以被描述为“[[反向平行]]双螺旋”，其中的“反向”即指两条单链中，一条链的方向是从3'端到5'端，而另一条则相反，是从5’端到3’端。5和3指的是在一个脱氧核糖中连接着相邻的磷酸基团的两个碳原子。方向性对于DNA合成有重要的意义，因为在DNA合成的过程中，DNA聚合酶只能向3'端的方向添加新的脱氧核糖核苷酸。<br />

DNA中两条链的碱基是通过氢键连接实现一一配对的，这意味着一个DNA中的两条单链都包含着完全相同的信息。这样，一条单链中的核苷酸可以用来重建互补链中预期相对的核苷酸。

== DNA聚合酶 ==

{{Main|DNA聚合酶}}
[[Image:DNA polymerase.svg|thumb|250px|right|DNA聚合酶在一条链的5'端添加核苷酸.如果意外地出现了一个错配，那么DNA聚合酶将会停止继续合成DNA。[[校正（遗传学）|校正]]机制会移去错配的核苷酸，之后继续合成DNA。]]

在所有形式的DNA复制中，DNA聚合酶都是必需的一类酶。不过，一个DNA聚合酶只能根据[[模板链]]，延长已经存在的DNA链，并不能直接开始合成一条新链以起始DNA复制。要起始DNA复制，必须先合成一小段与模板链配对的，被称之为引物的DNA或者[[RNA]]链。<br /> 之后，DNA聚合酶会通过磷酸二酯键的连接，添加与模板链配对的核苷酸，从而向引物链的3'端方向合成DNA。每一个未结合的碱基都连着三个[[磷酸基]]，DNA合成的能量即来自于其中的两个磷酸基。（自由的碱基和与之相连的磷酸基团统称为三[[磷酸核苷]]）当一个核苷酸被添加到正在延长的DNA链上时，它的两个磷酸基团将脱落，释放的能量将会生成一个磷酸二酯键把剩下的磷酸基团和DNA链连接起来。这样的能量机制也可以用来解释复制的方向性——如果DNA是从5'端向3'端合成的话，那么能量就会通过5'端提供而不是自由的核苷酸了。<br />

一般来说，DNA聚合酶是相当精准的，每添加10^7个核苷酸，发生的错误不超过一个。即使是这样，有些DNA聚合酶也具有[[校正(遗传学）|校正]]的能力，他们可以移除错配的碱基。如果5'端核苷酸在校正的过程中需要被移除，那么三磷酸末端就会丢失。因此，用于提供添加新核苷酸的能量来源也就丢失了。!

== 预测和实验 ==

DNA复制是透过名为半保留复制的机制来得以顺利完成的。半保留复制是由[[詹姆斯·杜威·沃森|沃森]]与[[弗朗西斯·克里克|克里克]]所预测，并且由[[马修·梅瑟生|马修·梅塞尔森]]（Matthew Meselson）和[[富兰克林·史达|富兰克林·斯塔尔]]（Franklin Stahl）于1958年进行研究而得以证实。

=== 预测 ===

沃森和克里克在提出DNA的[[双股螺旋|双螺旋结构]]模型时就对DNA的复制过程进行了预测。由于DNA碱基对的配对原则，两条链是互补的，因此，双链中的任意一条链都含有完整的[[遗传信息]]。沃森和克里克推测，在DNA复制过程中氢键首先断裂，双螺旋[[解旋]]并被分开，每条链分别作为模板各自合成一条新的互补链。这样就产生了两个与原来DNA分子的[[碱基顺序]]一样的新的DNA分子。而新DNA分子的一条链来自亲代DNA分子，另一条链是新合成的，因此，这种复制方式称为半保留复制。

=== 实验 ===

{{Main|米西尔逊-斯塔尔实验}}
1958年，[[马修·梅瑟生|马修·梅塞尔森]]（Matthew Meselson）和[[富兰克林·史达|富兰克林·斯塔尔]]（Franklin Stahl）用[[同位素]]标记法和[[氯化铯]][[密度梯度离心]]法证明了沃森和克里克的半保留复制模型。这个实验被称作[[米西尔逊-斯塔尔实验|梅塞尔森-斯达尔实验]]。

== 过程 ==

复制可以分为以下几个阶段：
* 起始阶段：[[解旋酶|DNA解旋酶]]在局部展开双螺旋结构的DNA分子为单链，[[引物酶]]辨认起始位点，以解开的一段DNA为模板，按照5'到3'方向合成RNA短链。形成[[RNA]]引物。
* DNA片段的生成：在引物提供了3'-OH末端的基础上，[[DNA聚合酶]]催化DNA的两条链同时进行复制过程，由于复制过程只能由5'->3'方向合成，因此一条链能够连续合成，另一条链分段合成，其中每一段短链成为[[冈崎片段]]（Okazaki fragments）。
* RNA引物的水解：当DNA合成一定长度后，DNA聚合酶水解RNA引物，补填缺口。
* [[DNA连接酶]]将DNA片段连接起来，形成完整的DNA分子。

最后DNA新合成的片段在[[旋转酶]]的帮助下重新形成螺旋状。

=== 起始 ===

细胞若要[[细胞分裂|分裂]]，必先复制其DNA。这个过程在DNA上的一个特殊位点上开始，称之为“[[复制原点|起始位点]]，相关的酶作用于这个位点，DNA的双链被分开，复制随即开始。起始位点包含一段可以被复制启动蛋白（比如[[大肠杆菌]]中的dnaA以及[[酵母菌]]中的起始点识别[[复合物]]）识别的[[DNA序列]]。这些启动蛋白吸引其他的[[蛋白质]]把DNA的双链打开并开启复制叉。<br />

启动蛋白吸引其他相关蛋白组成了前复制复合物，它可以在起始位点打开DNA链并形成一个泡。起始位点的序列倾向于富含A-T碱基对，这有益于启动的实现，因为A-T碱基对只有两条氢键相连（C-G碱基对有三个），一般来说，这样的结构使得打开双链更加容易，因为氢键的数量越多则打断它们需要的能量也越多。<br />

所有已知的DNA复制系统在复制开始前都需要一个自由的3'羟基。现在已发现四种不同的复制机制。
#所有的真核生物、许多DNA病毒、噬菌体和质粒用引物酶合成一小段包含有一个自由3'羟基的RNA引物，DNA聚合酶随后会顺着3'羟基延长序列。
#反转录转座子（包括反转录病毒）在反转录酶的辅作用下利用转移RNA为DNA的复制延伸提供自由 3′ OH。
#在腺病毒和细菌噬菌体 φ29家族中，DNA聚合酶将核苷酸添加到基因组附蛋白以合成新链，组成基因组附蛋白的氨基酸侧链提供 3' OH。
#在单链DNA病毒（包括环状病毒、双粒病毒、细小病毒以及其他单链DNA病毒）、许多噬菌体和质粒中，采用环状复制机制（RCR）。RCR内切酶先在基因链上（对于单链病毒）或者DNA的一条链上(对于质粒）制造一个缺口。缺口链的5'端被运送到核酸酶的酪氨酸残基上，而自由的3'羟基端则被用作DNA聚合酶复制新链的起点。

这些机制中被了解最深入的是[[真核生物]]的复制机制。DNA首先解开螺旋，双链被打开，RNA引物与模板链结合。特别来说，[[前导链]]的活动区域只结合一个RNA引物；而[[后随链]]则结合几个，这几个RNA引物生成的断断续续的后随链称之为冈崎片段，以其发现者命名。<br />

DNA聚合酶在合成前导链时是持续合成的，而在后随链时却是[[不连续合成]]的（这是因为合成的方向性，请参考冈崎片段）。[[核糖核酸酶|RNA水解酶（RNase）]]会水解那些曾用于使DNA聚合酶起始复制的RNA片段,另一些DNA聚合酶会进去缺口并生成DNA填补缺口。当这一步完成时，前导链的一个缺口和后随链的数个缺口都会被填补上。DNA[[连接酶]]将会填补这些缺口，从而完成新DNA分子的合成。<br />

[[古菌]]、真核生物在这个过程中使用的引物酶，和[[细菌]]使用的有所不同。细菌用的[[引发酶]]属于DnG[[蛋白质超家族]]含有一个TOPRIM折叠型的[[催化]]域。TOPRIM折叠包含一个α/β核心和四条保守链，以罗斯曼拓扑结构存在。这种结构同时在许[[多酶]]的催化[[结构域]]中发现，如[[拓扑异构酶]] I a,[[拓扑异构酶II]],OLD家族[[核酸酶]]，与RecR蛋白有关的[[DNA修复]]蛋白。<br />

比较而言，古菌和真核生物中的引发酶含有高度派生的RNA识别模式。这种引发酶在结构上和许多参与DNA复制与修复的酶相似，如：依赖于RNA的[[RNA聚合酶]]，[[反转录酶]]，核苷酸生成循环酶，A/B/Y家族的DNA聚合酶。所有这些蛋白质共有一个催化机制：双向[[金属离子]]介导的核苷酸转移，其中在第一条链末端和RRM-LIKE单位的第二条链和第三条链之间分别附着着两个[[酸性]][[核酸]][[残基]]，由二价阳离子[[螯合]]。<br />

随着DNA合成的继续，原始DNA链继续沿复制泡两边解旋，形成具有两个叉子的复制叉结构。在细菌的[[环形染色体]]上只有一个复制起始位点，复制过程最终形成一个θ结构。比较起来，真核生物具有较长的[[线性染色体]]，可在多个位点进行复制起始。

=== 复制叉 ===

[[File:Replication fork.svg|right|thumb|图为复制叉。图解：a为模板DNA；b为前进股、c为延迟股、d为复制叉、e为引子、f为[[冈崎片段]]。 复制叉是[[细胞核]]内DNA复制时形成的结构。这是由[[解旋酶]]创造的，解旋酶用来打断连接两条DNA链的氢键。复制叉有两个由[[DNA单链]]组成的“叉子”。这两条打开的单链将会作为前导链和后随链的模板，前导链和后随链将会由DNA聚合酶按碱基互补配对原则依照模板链合成。模板链的信息可以被严格地复制到前导链和后随链上。]]

==== 前导链 ====

合成后的前导链作为新DNA的模板链，所以复制叉沿3'向5'移动。从而使新合成的链与原始链互补，在新链沿着5'到3'合成DNA，这和复制叉移动的方向相同。<br /> 在前导链上，一个[[聚合酶]]不断地“阅读”被复制的DNA并向前导链添加核苷酸。这个聚合酶就是[[原核生物]]中的DNA聚合酶Ⅲ（DNA Pol III）；在酵母菌中，推测是聚合酶ε。在人[[体细胞]]中，前导链和后随链在细胞核中是由聚合酶α和聚合酶δ合成，在[[线粒体]]中由聚合酶 γ合成。在特殊情况下聚合酶ε可以替代聚合酶δ。

==== 后随链 ====

后随链是新DNA双链的[[编码链]]，所以复制叉沿5'向3'移动。因为它的方向性和DNA聚合酶Ⅲ从3'到5'的工作方向相反，复制过程在后随链上比前导链更为复杂。<br /> 在后随链上，引物酶“读”DNA并添加数小段分开的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延长引物片段，形成冈崎片段。之后引物的去除也由聚合酶α完成。而在[[原核细胞]]中，[[DNA聚合酶Ⅰ]]（DNA polymerase I）将RNA引物去除后再用对应的脱氧核糖核苷酸替换。最后DNA连接酶再将片段连接起来。 ko

== 参考文献 ==

{{Reflist|2}}

{{-}}
{{DNA复制}}
{{分子生物学}}

[[Category:DNA复制]] [[Category:衰老]]

{{Link GA|cs}}
{{Link FA|eu}}
==参考来源==
*[http://zh.wikipedia.org/wiki/DNA%E5%A4%8D%E5%88%B6 维基百科-DNA复制]