複製起点
真核生物における複製起点の構成や指定、そしてその活性化は細菌や古細菌のものよりもはるかに複雑であり、原核生物で確立された複製開始のパラダイムとは大きく異なっている。真核生物細胞のゲノムサイズは大きく(出芽酵母Saccharomyces cerevisiaeでは12 Mbp、ヒトでは3 Gbp)、各細胞周期の間に全ての染色体のDNA複製を完了するためには数百か所(出芽酵母)から数万か所(ヒト)の複製起点からDNA複製を開始する必要がある。出芽酵母と関連するサッカロミケス亜門Saccharomycotinaの種を除いて、真核生物の複製起点にはコンセンサス配列は存在しないが、それらの位置はDNAの局所的なトポロジー、構造的特徴、クロマチン環境などの文脈からの指示の影響を受ける。一方で、真核生物の複製起点の機能は細胞周期のM期終盤からG1期にかけてDNAへ複製ヘリカーゼをロードする、保存されたイニシエータータンパク質にやはり依存しており、この過程は複製起点のライセンス化(licensing)と呼ばれる。細菌のものとは異なり、真核生物の複製ヘリカーゼは不活性な二重六量体型として複製起点の二本鎖DNAへロードされ、それらの一部のみ(哺乳類細胞では10%から20%)がS期に活性化される。この過程は複製起点の発火(firing)と呼ばれる。そのため、真核生物では活性型の複製起点は、可能性のある起点全てに印をつけるライセンス化と、複製装置の組み立とDNA合成の開始が可能となる起点を選択する発火という、少なくとも2つの異なるレベルで決定される。ライセンス化された余剰の複製起点はバックアップとして機能し、近接する複製フォークの進行が遅くなったり停止したりした場合に活性化され、細胞が複製ストレスに遭遇した場合でもDNA複製が完了されるよう保証している。
DNA複製の必要条件として重要なのは、細胞周期中で正確に1度だけ、非常に高い正確性と効率で行われることであり、それによって細胞や生物の生存に悪影響を及ぼす可能性のある遺伝的変化の蓄積が防がれる。不完全で、エラーが多く、不適切な時期に行われるDNA複製は、突然変異、染色体の倍数性や異数性、遺伝子のコピー数の変化を引き起こす場合があり、これらはがんなどの疾患の原因となる場合がある。ゲノム全体の完全かつ正確な複製と子孫細胞への遺伝情報の適切な流れを保証するため、全てのDNA複製のイベントは細胞周期の指示によって緊密に調節されているだけでなく、転写やDNA修復など他のイベントと協調して行われている。さらに、複製起点の配列は全ての生物界を通じて一般的にAT含量が高い。これはアデニンとチミンの反復はグアニンとシトシンのリピートほど塩基のスタッキング相互作用が強固でなく、DNA鎖の分離が容易なためである。
ジャコブ、ブレナー、Cuzinは大腸菌の染色体DNAの合成の調節を説明するためにレプリコン仮説を提唱した。そのモデルでは、イニシエーターと呼ばれる拡散性でトランスに作用する因子が、レプリケーターと呼ばれるシスエレメントと相互作用し、複製起点近傍での複製開始を促進するとされた。イニシエーターはレプリケーターと結合すると、(多くの場合ローダータンパク質の助けを借りて)複製ヘリカーゼをDNA上に置き、その後ヘリカーゼは他のレプリソームの構成要素のリクルートと完全な複製装置の組み立てを駆動する。レプリケーターは複製開始の位置を特定し、1つの複製起点または開始イベントによって複製される染色体領域がレプリコンとして定義される。
レプリコン仮説の基本的な特徴は、DNA複製の開始を制御する正の調節に依存していることであり、細菌やファージの系での多くの実験的観察を説明することができた。例えば、宿主細胞へ導入された複製起点を持たない染色体外DNAは複製されないことが説明された。さらに、大腸菌で特定のプラスミドが互いの遺伝を不安定化する不和合性は、同じ分子的な開始装置を競合するためであると合理的に説明された。対照的に、負の調節モデル(転写におけるオペレーターに類似したモデル)はこれらの知見を説明することができなかった。しかし、ジャコブ、ブレナー、Cuzinによるレプリコンモデルの提唱後の研究では、細菌や真核生物において正負双方の調節要素からなる複製制御の多くの階層が発見され、DNA複製を時間的・空間的に制限することの複雑さと重要性が浮き彫りとなった。
DNA複製はいくつかの段階に分割される。開始段階では、レプリソーム(英語版)と呼ばれる複製装置がDNA上に双方向へ向けて組み立てられる。こうした組み立てが行われる部位がDNA複製の開始部位であり、複製起点である。伸長段階では、レプリソームは複製フォークとともに各方向へ移動してDNA二重らせんを巻き戻し、双方の親鎖を鋳型として相補的な娘DNA鎖を合成する。複製が完了すると、終結イベントによってレプリソームは解体される。細胞分裂の前にゲノム全体が複製されている限り、複製開始部位の位置がどこであろうと問題にはならないが、多くの生物はゲノム上の特定の領域を選択的に複製起点として利用していることが示されている。複製起点の位置の制御は、同じクロマチン鋳型に作用する他の過程とDNA複製とを協調させ、DNA鎖の切断やDNA損傷を避けるために必要であると考えられている。