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14.3: DNA 复制的基础知识

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    培养技能

    • 解释 DNA 的结构如何揭示复制过程
    • 描述 Meselson 和 Stahl 实验

    对双螺旋结构的阐明暗示了DNA是如何分裂和复制自身的。 该模型表明，在复制过程中，双螺旋的两条链是分开的，每条线都充当了复制新的互补链的模板。 目前尚不清楚的是复制是如何进行的。 建议了三种模型（图\(\PageIndex{1}\)）：保守型、半保守型和分散型。

    插图显示了 DNA 合成的保守、半保守和分散模型。 在保守模型中，当 DNA 被复制并将两条新合成的链配对在一起时。 在半保守模型中，每条新合成的链都与母链配对。 在分散模型中，新合成的DNA与两条DNA链中的亲本DNA穿插在一起。
    图\(\PageIndex{1}\)：三种推荐的 DNA 复制模型。 灰色表示原始 DNA 链，蓝色表示新合成的 DNA

    在保守复制中，亲本的DNA保持在一起，而新形成的子链在一起。 半保守的方法表明，两条亲本DNA链中的每条都充当合成新DNA的模板；复制后，每个双链DNA包括一条亲本或 “旧” 链和一条 “新” 链。 在分散模型中，两个DNA拷贝都有亲本DNA的双链片段，新合成的DNA穿插在一起。

    梅塞尔森和斯塔尔有兴趣了解 DNA 是如何复制的。 他们在含有 “重” 氮同位素（15 N）的培养基中培育了好几代人的大肠杆菌，该同位素被掺入氮碱基中，最终融入到DNA中（图\(\PageIndex{2}\)）。

    插图显示了一项实验，其中大肠杆菌最初是在含有 ^ {15} N 核苷酸的培养基中生长的。 当 DNA 被提取并在超离心机中运行时，试管中出现了一条 DNA 带。 接下来，该培养基被置于 ^ {14} N 培养基中。 经过一代之后，所有的 DNA 都出现在试管中间，这表明 DNA 是一半 ^ {14} N 和一半 ^ {15} N DNA 的混合物。 两代人之后，一半的 DNA 出现在管子中间，一半出现在管子上方，这表明一半的 DNA 含有 50% ^ {15} N，一半只含有 ^ {14} N。 在随后的几代人中，越来越多的 DNA 出现在上部 ^ {14} N 波段。
    图\(\PageIndex{2}\)：Meselson 和 Stahl 尝试了首先在重氮（15 N）中生长的大肠杆菌，然后在 14 N 中生长。在 15 N（红带）中生长的 DNA 比 14 N（橙带）中生长的 DNA 重，而在氯化铯溶液中生长到较低水平的大肠杆菌超离心机。 当在 15 N 中生长的 DNA 切换到含有 14 N 的培养基时，经过一轮细胞分裂后，DNA 沉积在 15 N 和 14 N 水平之间，这表明它现在含有 50％ 14 N。在随后的细胞分裂中，越来越多的 DNA 只含有 14 N。 此数据支持半保守复制模型。 （来源：玛丽安娜·鲁伊斯·比利亚雷尔对作品的修改）

    然后，大肠杆菌培养物被转移到含有 14 N 的培养基中，并允许其生长一代。 细胞被采集并分离出DNA。 DNA 在超离心机中高速离心。 有些细胞被允许在 14 N 中再生长一个生命周期，然后再次旋转。 在密度梯度离心过程中，DNA被加载到梯度（通常是盐，例如氯化铯或蔗糖）中，然后以50,000至60,000 rpm的高速旋转。 在这种情况下，DNA将根据其梯度密度形成条带。 在 15 N 中生长的 DNA 的密度位置将高于 14 N 中生长的 DNA Meselson 和 Stahl 指出，在 14 N 从 15 N 转移后，在 14 N 中生长了一代之后，观察到的单波段在 DNA 之间处于中间位置细胞仅在 15 N 和 14 N 中生长。这表明复制模式要么是半保守的，要么是分散的。 从在 14 N 中生长了两代的细胞中采集的 DNA 形成了两个带：一个 DNA 带位于 15 N 和 14 N 之间的中间位置，另一个对应于 14 N DNA 的带。 只有当DNA以半保守的方式复制时，才能解释这些结果。 因此，排除了其他两种模式。

    在DNA复制过程中，构成双螺旋的两条链中的每条都充当复制新链的模板。 新的链条将与父系或 “旧” 链相辅相成。 当两个子DNA拷贝形成时，它们具有相同的序列并平均分为两个子细胞。

    链接到学习

    点击这篇关于 DNA 复制的教程。

    摘要

    DNA复制模型表明，双螺旋的两条链在复制过程中分开，每条链都充当复制新的互补链的模板。 在保守复制中，亲本DNA是保守的，而子代DNA是新合成的。 半保守的方法表明，两条亲本DNA链中的每条都充当合成新DNA的模板；复制后，每个双链DNA包括一条亲本或 “旧” 链和一条 “新” 链。 分散模式表明，DNA的两个拷贝将有亲本DNA片段和新合成的DNA片段。

    贡献者和归因