14.5: 真核生物中的 DNA 复制

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培养技能

讨论真核生物和原核生物中 DNA 复制的异同
陈述端粒酶在 DNA 复制中的作用

真核生物基因组比原核生物基因组复杂得多，体积也更大。人类基因组每组单倍体染色体有30亿个碱基对，在细胞周期的S阶段复制了60亿个碱基对。真核生物染色体上有多个复制来源；人类最多可以有 100,000 个复制来源。复制速度约为每秒 100 个核苷酸，比原核复制慢得多。酵母是一种真核生物，在染色体上发现了称为自主复制序列（ARS）的特殊序列。它们等同于大肠杆菌的复制起源。

真核生物中DNA聚合酶的数量远远超过原核生物：已知有14个，其中5个已知在复制过程中起着重要作用，并已得到充分研究。它们被称为 pol α、pol β、pol γ、po l β 和 pol α。

复制的基本步骤与原核生物中的复制步骤相同。在开始复制之前，必须将 DNA 作为模板提供。真核生物DNA与称为组蛋白的基本蛋白质结合，形成称为核小体的结构。染色质（DNA和蛋白质之间的复合物）可能会经过一些化学修饰，因此DNA可能能够从蛋白质中滑落或被DNA复制机制的酶接触。在复制的起源，复制前复合物是由其他引发剂蛋白制成的。然后招募其他蛋白质以开始复制过程（表\(\PageIndex{1}\)）。

利用 ATP 水解产生的能量的解旋酶打开 DNA 螺旋结构。随着 DNA 的展开，复制叉会在每个复制源处形成。双螺旋的打开会导致复制分叉之前的 DNA 过卷或超级线圈。这些问题是通过拓扑异构酶的作用解决的。引物由引物酶形成，使用引物，DNA pol 可以开始合成。当前导链由 pol β 酶持续合成时，滞后链由 pol ε 合成。一种名为PCNA（增殖细胞核抗原）的滑动钳制蛋白可将DNA pol固定在适当的位置，使其不会从DNA上滑落。 RNase H 去除 RNA 引物，然后将其替换为 DNA 核苷酸。在用 DNA 取代 RNA 引物后，滞后链中的冈崎片段会结合在一起。剩下的空隙由形成磷酸二酯键的 DNA 连接酶封住。

端粒复制

与原核染色体不同，真核染色体是线性的。如你所知，DNA pol 酶只能在 5' 到 3' 方向添加核苷酸。在前导链中，合成一直持续到染色体的末端。在滞后链上，DNA是在短时间内合成的，每个序列都是由单独的引物引发的。当复制分叉到达线性染色体的末端时，没有地方为在染色体末端复制 DNA 片段制作引物。因此，这些末端保持未配对，随着时间的推移，随着细胞的继续分裂，这些末端可能会逐渐变短。

线性染色体的末端被称为端粒，其重复序列不编码特定的基因。从某种意义上说，这些端粒可以保护基因在细胞继续分裂时不被删除。在人类中，六碱基对序列 TTAGGG 会重复 100 到 1000 次。端粒酶的发现（图\(\PageIndex{1}\)）有助于了解染色体末端是如何维持的。端粒酶含有催化部分和内置的 RNA 模板。它附着在染色体的末端，并在DNA链的3'末端添加RNA模板的互补碱基。一旦滞后链模板的3'末端足够拉长，DNA聚合酶就可以添加与染色体末端互补的核苷酸。因此，染色体的末端被复制。

端粒酶具有相关的 RNA，可补充染色体末端的 5' 悬垂部分。 RNA 模板用于合成互补链。然后端粒酶会移动，然后重复这个过程。接下来，primase 和 DNA 聚合酶合成剩余的互补链。 — 图\(\PageIndex{1}\)：线性染色体的末端由端粒酶的作用维持。

端粒酶通常活跃于生殖细胞和成体干细胞。它在成体体细胞中不活跃。由于发现端粒酶及其作用，伊丽莎白·布莱克本（图\(\PageIndex{2}\)）于2009年获得了诺贝尔医学和生理学奖。

伊丽莎白·布莱克本的照片。 — 图\(\PageIndex{2}\)：2009 年诺贝尔奖获得者伊丽莎白·布莱克本是发现端粒酶原理的科学家。（来源：美国驻瑞典大使馆）

端粒酶和衰老

由于大多数体细胞不产生端粒酶，经历细胞分裂的细胞的端粒会继续缩短。从本质上讲，这意味着端粒缩短与衰老有关。随着现代医学、预防性医疗保健和更健康生活方式的出现，人类的寿命延长了，人们越来越需要随着年龄的增长看起来更年轻，生活质量也更好。

2010年，科学家发现端粒酶可以逆转小鼠体内一些与年龄相关的疾病。这可能在再生医学中具有潜力。 ^¹ 这些研究中使用了缺乏端粒酶的小鼠；这些小鼠有组织萎缩、干细胞枯竭、器官系统衰竭和组织损伤反应受损。这些小鼠的端粒酶重新激活导致端粒延伸，减少DNA损伤，逆转神经变性，改善睾丸、脾脏和肠道的功能。因此，端粒再激活可能具有治疗人类年龄相关疾病的潜力。

癌症的特征是异常细胞不受控制的细胞分裂。细胞积累突变，无法控制地增殖，并可以通过称为转移的过程迁移到身体的不同部位。科学家们观察到，癌细胞的端粒大大缩短，端粒酶在这些细胞中具有活性。有趣的是，只有在癌细胞中的端粒缩短之后，端粒酶才开始活跃。如果在癌症治疗期间药物可以抑制端粒酶在这些细胞中的作用，那么癌细胞就有可能被阻止进一步分裂。

表\(\PageIndex{1}\)：原核复制和真核复制之间的区别
财产	原核生物	真核生物
复制的起源	单身	多个
复制速率	1000 个核苷酸/s	50 到 100 个核苷酸/秒
DNA 聚合酶类型	5	14
端粒酶	不在场	当下
去除 RNA 引物	DNA pol I	核糖核酸酶 H
股线伸长率	DNA pol I	pol β、pol α
滑动钳	滑动钳	PCNA

摘要

真核生物中的复制始于多个复制来源。其机制与原核生物非常相似。启动合成需要引物，然后由DNA聚合酶扩展，因为它会将核苷酸逐一添加到生长链中。前导链是连续合成的，而滞后的链则在短时间内合成，称为冈崎片段。 RNA 引物被 DNA 核苷酸所取代；通过将 DNA 片段与 DNA 连接酶连接起来，DNA 保持一条连续链。染色体的末端存在问题，因为没有引物，聚合酶无法延伸染色体的末端。端粒酶是一种内置 RNA 模板的酶，它通过复制 RNA 模板并延伸染色体的一端来延伸末端。然后，DNA 聚合酶可以使用引物扩展 DNA。这样，染色体的末端就受到了保护。

脚注

1 Jaskelioff 等人，“端粒酶再激活可逆转老年端粒酶缺乏小鼠的组织变性”，《自然》469（2011）：102-7。

词汇表

端粒酶: 含有催化部分和内置 RNA 模板的酶；它的作用是维持染色体末端的端粒

端粒: 线性染色体末端的 DNA