DNA複製

DNA複製是指DNA雙鏈在細胞分裂以前的分裂間期S期進行的複製過程，複製的結果是一條雙鏈變成兩條一樣的雙鏈，每條雙鏈都與原來的雙鏈一樣。這個過程通過邊解旋邊複製和半保留複製機制得以順利完成。

DNA複製主要包括引發、延伸、終止三個階段 ^[1]  。以原核生物DNA複製過程予以簡要説明。

DNA複製始於基因組中的特定位置（複製起點），即啓動蛋白的靶標位點 ^[2]  。啓動蛋白識別“富含AT”（富含腺嘌呤和胸腺嘧啶鹼基）的序列，因為AT鹼基對具有兩個氫鍵（而不是CG對中形成的三個），因此更易於DNA雙鏈的分離。 一旦複製起點被識別，啓動蛋白就會募集其他蛋白質一起形成前複製複合物，從而解開雙鏈DNA，形成複製叉。複製叉的形成是多種蛋白質及酶參與的較複雜的過程。這些酶包括單鏈DNA結合蛋白（single—stranded DNA binding protein，ssbDNA蛋白）和DNA解鏈酶（DNA helicase）。ssbDNA蛋白是較牢固結合在單鏈DNA上的蛋白質，作用是保證解旋酶解開的單鏈在複製完成前能保持單鏈結構，以四聚體的形式存在於複製叉處，等待單鏈複製後才脱下來，重新循環。因此，ssbDNA蛋白僅保持單鏈的存在，不起解旋作用。 DNA解鏈酶能通過水解ATP獲得能量以解開雙鏈DNA。

DNA解鏈過程 DNA在複製前不僅是雙螺旋而且處於超螺旋狀態，而超螺旋狀態的存在是解鏈前的必須結構狀態，參與解鏈的除解鏈酶外還有一些特定蛋白質，如大腸桿菌中的Dna蛋白等。一旦DNA局部雙鏈解開，就必須有ssbDNA蛋白以穩定解開的單鏈，保證此局部不會恢復成雙鏈。兩條單鏈DNA複製的引發過程有所差異，但是不論是前導鏈還是後隨鏈，都需要一段RNA引物用於開始子鏈DNA的合成。因此前導鏈與後隨鏈的差別在於前者從複製起始點開始按5’→3’持續的合成下去，不形成岡崎片段，後者則隨着複製叉的出現，不斷合成長約2—3kb的岡崎片段。

多種DNA聚合酶在DNA複製過程中扮演不同的角色。在大腸桿菌中，DNA Pol III是主要負責DNA複製的聚合酶。它在複製分支上組裝成複製複合體，具有極高的持續性，在整個複製週期中保持完整。相反，DNA Pol I是負責用DNA替換RNA引物的酶。 DNA Pol I除了具有聚合酶活性外，還具有5'至3'外切核酸酶活性，並利用其外切核酸酶活性降解RNA引物。 Pol I在DNA複製中的主要功能是創建許多短DNA片段，而不是產生非常長的片段。在真核生物中，Pol α有助於啓動複製，因為它與引物酶形成複合物。Pol ε和Pol δ負責前導鏈的合成。Pol δ還負責引物的去除，而Pol ε也參與複製期間DNA的修復 ^[3-4]  。

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連接酶將其接起來，形成完整的DNA滯後鏈。

真核生物在染色體的多個點開始DNA複製，因此複製叉在染色體的許多點處相遇並終止。由於真核生物具有線性染色體，DNA複製無法到達染色體的最末端。由於這個問題，在染色體末端的DNA在每個複製週期中都會丟失。端粒是接近末端的重複DNA區域，有助於防止基因丟失。端粒縮短是體細胞中的正常過程，它縮短了子DNA染色體的端粒。因此，在DNA丟失阻止進一步分裂之前，細胞只能分裂一定次數。 在生殖細胞中，端粒酶延伸端粒區域的重複序列以防止降解。

DNA複製的終止發生在特定的基因位點，即複製終止位點。該位點的終止位點序列被與該序列結合的阻止DNA複製的蛋白質識別並結合，阻止了複製叉前進，複製終止。細菌物的DNA複製末端位點結合蛋白又稱Ter蛋白。

因為細菌具有環狀染色體，所以當兩個複製叉在親本染色體的另一端彼此相遇時複製終止發生。大腸桿菌通過使用終止序列來調節該過程，當該序列被Tus蛋白結合時，終止序列僅允許複製叉一個方向的通行。結果，複製叉總是在染色體的終止區域內相遇，導致複製終止 ^[5]  。

半保留複製：DNA在複製時，以親代DNA的每一個單鏈作模板，合成兩個雙鏈子代DNA，每個子代DNA中都含有一個親代DNA鏈，這種現象稱為DNA的半保留複製。DNA以半保留方式進行復制，是在1958年由M. Meselson 和 F. Stahl 所完成的實驗所證明。

有一定的複製起始點：DNA在複製時，需在特定的位點起始，這是一些具有特定核苷酸排列順序的片段，即複製起始點（複製子）。在原核生物中，複製起始點通常為一個，而在真核生物中則為多個。

需要引物（primer）：DNA聚合酶必須以一段具有3'端自由羥基（3'-OH）的RNA作為引物，才能開始聚合子代DNA鏈。RNA引物的大小，在原核生物中通常為50～100個核苷酸，而在真核生物中約為10個核苷酸。

雙向複製：DNA複製時，以複製起始點為中心，向兩個方向進行復制。但在低等生物中，也可進行單向複製。

半不連續複製：由於DNA聚合酶只能以5'→3'方向聚合子代DNA鏈，因此兩條親代DNA鏈作為模板聚合子代DNA鏈時的方式是不同的。以3'→5'方向的親代DNA鏈作模板的子代鏈在聚合時基本上是連續進行的，這一條鏈被稱為領頭鏈（前導）（leading strand）。而以5'→3'方向的親代DNA鏈為模板的子代鏈在聚合時則是不連續的，這條鏈被稱為隨從鏈（滯後鏈）（lagging strand）。DNA在複製時，由隨從鏈所形成的一些子代DNA短鏈稱為岡崎片段（Okazaki fragment）。岡崎片段的大小，在原核生物中約為1000～2000個核苷酸，而在真核生物中約為100個核苷酸。