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2018年1月22日 星期一

丁酉(鸡)年十二月初六

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脱氧核糖核酸的复制 - 正文 [回目录]

  以亲代 DNA为模板,合成两个或多个与亲代同样的子代DNA分子的过程。DNA的忠实复制保证了生物性状的代代相传。 在体外,以DNA为模板,以脱氧腺苷三磷酸(dATP)、脱氧鸟苷三磷酸(dGTP)、脱氧胞苷三磷酸(dCTP)和脱氧胸苷三磷酸(dTTP)为底物,用DNA聚合酶可合成新生的DNA。在细胞内DNA复制是一个由多种酶协同作用的复杂过程,包括DNA复制的起动,DNA双螺旋的解开,新生DNA链的合成,复制后DNA的修饰,受损伤的DNA的修复以及复制的调节控制等方面。
  复制的方式 1953年J.D.沃森F.H.C.克里克在阐明了DNA分子双螺旋结构之后,又提出了DNA半保留复制的假设。即亲代DNA的两条链可分别作为模板,各合成一条新生的DNA链。子代DNA中一条链来自亲代,另一条链是新合成的。基于碱基互补的原则,两个子代DNA分子同亲代的碱基顺序是完全一样的。这个假设在1957年前后已为若干实验所证实(图1)。

脱氧核糖核酸的复制

  复制的起始点 复制只能在 DNA分子上特定区域内起始,这一段特定的DNA顺序称为复制起始点。原核生物染色体、病毒和核外 DNA通常只有一个复制起始点。大肠杆菌复制起始点在异亮氨酸、 缬氨酸基因(ilv)附近。它的必需的最小长度为 245碱基对。真核生物染色体具有很多复制起始点,彼此相隔约3~10万碱基对。
  复制叉 按半保留复制的机制,DNA分子的两条链分别作为模板而进行复制,因此在复制起始点的两端就形成叉状结构,称为复制叉(图2)。脱氧核糖核酸的复制在大多数生物中,随着DNA复制的进行,两端的复制叉以反向等速方式前进。某些染色体外(如噬菌体、质粒线粒体等)的 DNA复制叉前进的方式较为特殊:或双向而不等速前进,或仅单向前进,或以滚筒方式前进,或两条新生链不同时复制。
  引物 由于DNA聚合酶只能延长而不能开始新的DNA链合成,DNA新生链的合成都是以引物合成酶或RNA聚合酶先合成一小段RNA链为起始的,这一段RNA称为引物。引物通常长10~50核苷酸。RNA引物最终被切除并由DNA取代。
  岗崎片段 DNA聚合酶只能催化DNA链5'→3'方向延长,而不能催化反方向(即3'→5')的延长,因此,同复制叉移动方向一致的一条新生链是连续合成的,称为前导链;同复制叉移动方向相反的一条链只能以非连续方式合成,称为滞后链。岗崎首先发现这些短的非连续合成的新生片段,因此称为岗崎片段。在引物被切除,缺口被补满以后,岗崎片段由DNA连接酶连接成一条长链。
  DNA聚合酶 以DNA为模板,以4种脱氧核苷三磷酸为底物,在引物存在下催化新的DNA链合成的酶称为DNA聚合酶。对大肠杆菌的 DNA聚合酶研究得较为透彻。大肠杆菌包含3种DNA聚合酶,分别称为DNA聚合酶Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ。1956年A.科恩伯格从大肠杆菌中首次分离到 DNA聚合酶Ⅰ,因此这个酶又称为科恩伯格酶。其特点是:①DNA模板是必需的:不存在模板时,不表现聚合酶活力;②引物也是必需的:DNA聚合酶只能从引物开始延长DNA链,而不能在DNA模板上重新合成一条新链;③以脱氧核苷三磷酸为底物,从5'→3'方向延长DNA链,而不催化3'→5'反应;④具有3'→5'外切酶活力:当新掺入的核苷酸同模板错配时,它能识别并切除不配对的核苷酸,然后才能进行下一步聚合反应,因此这个酶能够校正聚合过程中碱基的错配,保证DNA复制的高度精确性;⑤具有5'→3'外切酶活力:在体内DNA聚合酶Ⅰ的主要功能是切除引物,填补由此产生的缺口,并在DNA损伤修复中起作用。
  遗传学的实验证实负责大肠杆菌染色体复制的聚合酶是DNA聚合酶Ⅲ,它具有同DNA聚合酶Ⅰ相类似的特性。在细胞内,聚合酶Ⅲ同多种肽链组成一个复合物,称为DNA聚合酶Ⅲ全酶,可能它才是真正负责大肠杆菌染色体DNA复制的酶。
  真核细胞中通常也含有 3种DNA聚合酶,分别称为α、β和γ。DNA聚合酶 α存在于细胞核内,它的组成复杂而又不稳定,至今还没有完全纯化。鼠DNA聚合酶 α至少由5条肽链组成。同大肠杆菌DNA聚合酶不同,真核生物DNA聚合酶 α不具有3'→5'和5'→3'外切酶活力。该酶活力随着细胞周期而变化,在DNA合成时期,这个酶活力达到高峰,因此推测这个酶负责核DNA的复制。与此相反,DNA聚合酶β的活力不随细胞周期而变化,它的功能主要在于修复受损伤的DNA。DNA聚合酶γ可能就是早先发现的线粒体DNA聚合酶。
  DNA连接酶 复制过程中必需的酶之一。 在模板存在下,它把DNA片段的5'磷酸同相邻片段的3'羟基连接起来。在岗崎片段的连接、DNA的修复和DNA重组中,DNA连接酶都是不可缺少的。
  DNA双螺旋的解开 一些酶和蛋白质协同作用的结果。DNA解螺旋酶可解开复制叉之前的DNA双螺旋,解链后产生的单链同 DNA结合蛋白相结合而得到稳定。拓扑异构酶Ⅰ在切断和重新连接 DNA链的过程中提供了一个旋转支点,使得由解螺旋酶解开双螺旋而产生的多余螺旋度在这里旋转而得以释放。 拓扑异构酶Ⅱ能向DNA双螺旋引入负的超螺旋,这进一步有助于双螺旋的解开。
  DNA甲基化 DNA忠实的复制也意味着亲代 DNA中甲基化碱基的分布方式同样复制在子代 DNA分子中。原核生物DNA中含有一些甲基化的腺嘌呤和胞嘧啶,真核生物DNA含有一定量甲基化的胞嘧啶。甲基化碱基在DNA中的分布方式是特定的,这种特定的分布方式在真核生物中可能同细胞分化有关。根据DNA半保留复制的机制,新生的子代DNA双链中的一条链来自亲代,因此是已甲基化的,另一条链是新合成的,还未甲基化,所以新生DNA是半甲基化的双链。甲基转移酶以半甲基化DNA双链为底物,找到甲基化碱基的位置,并把新生链中相应位置的碱基予以甲基化。也存在不需要模板的甲基转移酶和脱甲基酶。染色体的结构可能决定它们的作用部位。
  DNA损伤修复 环境中的射线,化学物质和代谢过程中产生的自由基等因素能直接损伤DNA或干扰DNA的复制过程。未修复的损伤可能导致突变,降低细胞存活能力甚至致死。DNA的损伤包括碱基的改变或缺失,DNA链之间的交联或断裂。正常的细胞具有多种途径用来除去损伤或不配对的核苷酸并代之以正确的核苷酸,其中主要的途径称为切除修复。切除修复的主要步骤是先把接近损伤部位5'端的磷酸二酯键切断,切除损伤部位及其邻近的核苷酸,利用未受损的互补链作为模板,合成正确的新链。在某些情况下,糖苷酶能识别和水解受损碱基的糖苷链,然后插入酶把一个正确的碱基转移到空缺的糖基上去。紫外线照射可能使相邻的胸腺嘧啶形成二聚体,有一种酶可分解这种二聚体,但需可见光,因此这个过程称为光活化反应。如果二聚体还未被修复而复制叉已先通过了这一点,那么新生链上会留下一个缺口,在这种情况下,经DNA体内重组,受损伤的链仍可获得正确的模板用以修复(见DNA损伤修复)。
  图2总结了大肠杆菌DNA复制的基本过程。 亲代DNA双螺旋在复制叉附近被解螺旋酶解开,DNA结合蛋白结合在单链DNA上,稳定了单链结构,使得DNA复制能在这区域被引发并延伸。在复制叉之前产生的额外的旋转由于拓扑异构酶作用而释放。结合了DNA结合蛋白的单链DNA同含有基因dnaB和dnaC产物的前引发复合体相结合,引物合成酶能在被引发的单链DNA上合成一小段RNA引物,然后 DNA聚合酶Ⅲ全酶依照模板所决定的碱基顺序从引物延伸而合成新生的DNA链。在滞后链上,每隔约1000核苷酸引发一次新生链。然后 RNA引物被DNA聚合酶Ⅰ的5'→3'外切酶切除,同时填满由此而产生的缺口,相邻的片段由DNA连接酶连接成为长的DNA链。以上这些酶反应顺序进行,周而复始,完成整个DNA分子的复制。在其他生物中,DNA复制过程的基本规律是同大肠杆菌相仿的。
  参考书目
 A.Kornberg, DNA Replication,W.H.Freeman & Co.,San Francisco, 1980.
 A.Kornberg, Supplement to DNA Replication,W.H.Freeman & Co.,San Francisco, 1982

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更新时间 : 2009-06-19

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