DNA複製

在分子生物學中，DNA複製是指DNA雙鏈在細胞分裂間期階段進行以一個初始DNA分子產生兩個相同的DNA複製品的生物過程。DNA 複製發生在所有真核生物體中，是生物遺傳中最重要的機制；除了對於生長和受損組織修復過程中的細胞分裂至關重要，它還確保每個新細胞接收到自己的 DNA 複製。對於雙鏈DNA來說，在正常情況下，這個過程開始於一個親代DNA分子，最後產生出兩個相同的子代DNA分子。親代雙鏈DNA分子的每條單鏈都被作為模板，用以合成新的互補單鏈，這一過程被稱為半保留複製。細胞的校對機制確保了DNA複製近乎完美的準確性。在細胞當中，DNA複製起始於基因組的特殊位點，稱為“複製起點”。起始於複製起點的DNA解鏈和新鏈的合成會形成複製叉。除了DNA聚合酶外，一些酶對DNA的複製起始、穩定、延伸起輔助作用。DNA複製也可以在體外是一種常見的實驗室技術，這種採用了迴圈方式的人工合成，在一個DNA池中擴增出特定的DNA片段。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鹼基不同的脫氧核糖核苷酸構成的，這四種鹼基即：腺嘌呤透過氫鍵形成鹼基對相連。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，對於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線著相鄰的磷酸基團的兩個碳原子。方向性對於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'端的方向新增新的脫氧核糖核苷酸。DNA中兩條鏈的鹼基是透過氫鍵連線實現一一配對的，這意味著一個DNA中的兩條單鏈都包含著完全相同的資訊。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.在所有形式的DNA複製中，DNA聚合酶都是必需的一類酶。不過，一個DNA聚合酶只能根據模板股，延長已經存在的DNA鏈，並不能直接開始合成一條新鏈以起始DNA複製。要起始DNA複製，必須先合成一小段與模板股配對的，被稱之為引物的DNA或者RNA鏈。之後，DNA聚合酶會透過磷酸二酯鍵的連線，新增與模板股配對的核苷酸，從而向引物股的3'端方向合成DNA。每一個未結合的鹼基都連著三個磷酸基，DNA合成的能量即來自於其中的兩個磷酸基。當一個核苷酸被新增到正在延長的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鏈連線起來。這樣的能量機制也可以用來解釋複製的方向性——如果DNA是從3'端向5'端合成的話，那麼能量就會透過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，每添加個核苷酸，發生的錯誤不超過一個。即使是這樣，有些DNA聚合酶也具有校對的能力，他們可以移除錯配的鹼基。如果5'端核苷酸在校正的過程中需要被移除，那麼三磷酸末端就會丟失。因此，用於提供新增新核苷酸的能量就丟失了。預測和實驗.DNA複製是透過名為半保留複製的機制來得以順利完成的。半保留複製是由沃森與克里克所預測，並且由馬修·梅塞爾森於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的複製過程進行了預測。由於DNA鹼基對的配對原則，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資訊。沃森和克里克推測，在DNA複製過程中氫鍵首先斷裂，雙螺旋解旋並被分開，每條鏈分別作為模板各自合成一條新的互補鏈。這樣就產生了兩個與原來DNA分子的鹼基順序一樣的新的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，這種複製方式稱為半保留複製。實驗.1958年，馬修·梅塞爾森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複製模型。這個實驗被稱作梅瑟生–史達實驗。過程.複製可以分為以下幾個階段：起始.細胞分裂一般需要先複製其DNA。這個過程在DNA上的一個特殊位點上開始，這一位點被稱之為複製起點。啟動蛋白吸引其他相關蛋白組成了前複製複合物，它可以在複製起點開啟DNA鏈並形成一個泡。複製起點的序列傾向於富含A-T鹼基對，這有益於啟動的實現，因為A-T鹼基對只有兩條氫鍵相連，一般來說，這樣的結構使得開啟雙鏈更加容易，因為氫鍵的數量越多則打斷它們需要的能量也越多。所有已知的DNA複製系統在複製開始前都需要一個自由的3'羥基。現在已發現四種不同的複製機制。這些機制中被瞭解最深入的是真核生物的複製機制。DNA首先解開螺旋，雙鏈被開啟，RNA引物與模板鏈結合。特別來說，前導鏈的活動區域只結合一個RNA引物；而後隨鏈則結合幾個，這幾個RNA引物生成的斷斷續續的後隨鏈稱之為岡崎片段，以其發現者命名。DNA聚合酶在合成前導鏈時是持續合成的，而在後隨鏈時卻是不連續合成的會水解那些曾用於使DNA聚合酶起始複製的RNA片段，另一些DNA聚合酶會進去缺口並生成DNA填補缺口。當這一步完成時，前導鏈的一個缺口和後隨鏈的數個缺口都會被填補上。DNA連線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。細菌用的引發酶屬於DnG蛋白質超家族含有一個TOPRIM摺疊型的催化域。TOPRIM摺疊包含一個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現，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酶含有高度派生的RNA識別模式。這種引發酶在結構上和許多參與DNA複製與修復的酶相似，如：依賴於RNA的RNA聚合酶，反轉錄酶，核苷酸生成迴圈酶，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，原始DNA鏈繼續沿複製泡兩邊解旋，形成具有兩個叉子的複製叉結構。在細菌的環形染色體上只有一個複製起點，複製過程最終形成一個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。複製叉.複製叉是細胞核內DNA複製時形成的結構。這是由解旋酶創造的，解旋酶用來打斷連線兩條DNA鏈的氫鍵。複製叉有兩個由DNA單鏈組成的“叉子”。這兩條開啟的單鏈將會作為前導鏈和後隨鏈的模板，前導鏈和後隨鏈將會由DNA聚合酶按鹼基互補配對原則依照模板鏈合成。模板鏈的資訊可以被嚴格地複製到前導鏈和後隨鏈上。前導鏈.合成後的前導鏈作為新DNA的模板鏈，所以複製叉沿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，這和複製叉移動的方向相同。在前導鏈上，一個聚合酶不斷地“閱讀”被複制的DNA並向前導鏈新增核苷酸。這個聚合酶就是原核生物中的DNA聚合酶Ⅲ；在酵母菌中，推測是聚合酶ε。在人體細胞中，前導鏈和後隨鏈在細胞核中是由聚合酶α和聚合酶δ合成，線上粒體中由聚合酶γ合成。在特殊情況下聚合酶ε可以替代聚合酶δ。後隨鏈.後隨鏈是新DNA雙鏈的編碼鏈，所以複製叉沿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，複製過程在後隨鏈上比前導鏈更為複雜。在後隨鏈上，引物酶“讀”DNA並新增數小段分開的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。之後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將RNA引物去除後再用對應的脫氧核糖核苷酸替換。最後DNA連線酶再將片段連線起來。