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9.2: DNA 复制

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    当细胞分裂时，每个子细胞都必须获得相同的 DNA 副本。 这是通过 DNA 复制过程完成的。 DNA的复制发生在细胞周期的合成阶段或S阶段，即细胞进入有丝分裂或减数分裂之前。

    对双螺旋结构的阐明为如何复制 DNA 提供了暗示。 回想一下，腺嘌呤核苷酸与胸腺嘧啶核苷酸配对，胞嘧啶与鸟嘌呤配对。 这意味着这两条线相互补充。 例如，一条核苷酸序列为 AGTCATGA 的 DNA 链将有一条与 TCAGTACT 序列互补的链（图\(\PageIndex{1}\)）。

    该图显示了 DNA 的阶梯状结构，由互补的碱基构成梯级。
    图\(\PageIndex{1}\)：两条 DNA 链是互补的，这意味着一条链中的碱基序列可用于在另一条链中创建正确的碱基序列。

    由于两条股线的互补性，拥有一条股线意味着可以重现另一条链。 这种复制模型表明，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（图\(\PageIndex{2}\)）。

    插图显示了半保守的 DNA 合成模型。 在半保守模型中，每条新合成的链都与母链配对。
    图\(\PageIndex{2}\)：显示了 DNA 复制的半保守模型。 灰色表示原始 DNA 链，蓝色表示新合成的 DNA。

    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” 链互补。 每根新的双股线都由一根亲股线和一根新的子链组成。 这被称为半保守复制。 当两个 DNA 拷贝形成时，它们具有相同的核苷酸碱基序列，平均分为两个子细胞。

    真核生物中的 DNA 复制

    由于真核生物基因组非常复杂，因此 DNA 复制是一个非常复杂的过程，涉及多种酶和其他蛋白质。 它发生在三个主要阶段：起始、伸长和终止。

    回想一下，真核生物DNA与称为组蛋白的蛋白质结合形成称为核小体的结构。 在启动过程中，参与复制过程的蛋白质和酶可以获得 DNA。 复制机制怎么知道 DNA 双螺旋从哪里开始？ 事实证明，有一些特定的核苷酸序列称为复制起源，复制是从这些序列开始的。 某些蛋白质与复制起源结合，而一种叫做解旋酶的酶会解开并打开 DNA 螺旋结构。 随着DNA的开放，形成了称为复制叉的Y形结构（图\(\PageIndex{3}\)）。 在复制的起点形成两个复制分叉，随着复制的进行，它们会向两个方向扩展。 真核生物染色体上有多个复制来源，因此可以在基因组的多个位置同时进行复制。

    在伸长过程中，一种叫做 DNA 聚合酶的酶将 DNA 核苷酸添加到模板的 3' 末端。 由于 DNA 聚合酶只能在骨干末端添加新的核苷酸，因此添加了提供这一起点的引物序列和互补 RNA 核苷酸。 该引物稍后被移除，核苷酸被 DNA 核苷酸取代。 一条与亲本 DNA 链互补的链是向复制叉连续合成的，因此聚合酶可以在这个方向上添加核苷酸。 这种连续合成的链被称为前导链。 由于 DNA 聚合酶只能在 5' 到 3' 方向上合成 DNA，因此另一条新链被组合成称为冈崎片段的短片段。 每个冈崎片段都需要一个由RNA制成的引物才能开始合成。 带有冈崎碎片的链条被称为滞后链。 随着合成的进行，一种酶会去除RNA引物，然后将其替换为DNA核苷酸，片段之间的间隙被一种叫做DNA连接酶的酶封住。

    DNA复制过程可以概括如下：

    1. DNA 在复制的起源处解开。
    2. 在互补的父母关系中增加了新的基础。 一根新股线是连续制作的，而另一根是碎片制成的。
    3. 引物被移除，用新的 DNA 核苷酸代替引物，骨干由 DNA 连接酶密封。

    艺术连接

    插图显示了一个复制气泡。 Helicase 解开了螺旋线。 RNA 引物开始合成，DNA 聚合酶从 RNA 引物中延伸 DNA 链。 DNA 合成仅在 5' 到 3' 方向进行。 在前导链上，DNA合成持续进行。 在滞后链上，随着螺旋的展开，DNA合成会多次重启，从而产生许多称为冈崎片段的短片段。
    图\(\PageIndex{3}\)：复制源的开放形成了复制分叉，解旋酶分离了 DNA 链。 合成了 RNA 引物，并由 DNA 聚合酶拉长。 在前导链上，DNA是连续合成的，而在滞后链上，DNA是短时间合成的。 DNA 片段由 DNA 连接酶连接在一起（未显示）。

    你分离出一种细胞菌株，其中冈崎片段的结合受到损害，并怀疑在复制叉上发现的酶发生了突变。 哪种酶最有可能发生突变？

    端粒复制

    由于真核生物染色体是线性的，因此 DNA 复制在真核生物染色体中走到了尽头。 如你所知，DNA聚合酶只能向一个方向添加核苷酸。 在前导链中，合成一直持续到染色体末端；但是，在滞后链上，没有地方为在染色体末端复制 DNA 片段制作引物。 这给细胞带来了问题，因为两端保持不成对，随着时间的推移，随着细胞继续分裂，这些末端会逐渐变短。 线性染色体的末端被称为端粒，端粒具有不编码特定基因的重复序列。 因此，每轮DNA复制都会缩短的是端粒，而不是基因。 例如，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\(\PageIndex{4}\)）有助于了解染色体末端是如何维持的。 端粒酶附着在染色体的末端，并在DNA链的末端添加RNA模板的互补碱基。 一旦滞后的链模板足够拉长，DNA聚合酶现在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\(\PageIndex{4}\)：线性染色体的末端由端粒酶的作用维持。

    端粒酶通常在生殖细胞、成体干细胞和一些癌细胞中具有活性。 由于发现端粒酶及其作用，伊丽莎白·布莱克本（图\(\PageIndex{5}\)）于2009年获得了诺贝尔医学和生理学奖。

    照片显示伊丽莎白·布莱克本。
    图\(\PageIndex{5}\)：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：美国驻瑞典斯德哥尔摩大使馆）

    端粒酶在成体体细胞中不活跃。 经过细胞分裂的成体体细胞的端粒继续缩短。 这本质上意味着端粒缩短与衰老有关。 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。 这些小鼠的端粒酶再激活导致端粒延伸、DNA 损伤减少、神经变性逆转以及睾丸、脾脏和肠道功能改善。 因此，端粒再激活可能具有治疗人类年龄相关疾病的潜力。

    原核生物中的 DNA 复制

    回想一下，原核染色体是一种圆形分子，其盘绕结构不如真核染色体那么宽泛。 真核染色体是线性的，在蛋白质周围高度盘绕。 尽管DNA复制过程有许多相似之处，但这些结构差异使得这两种生命形式中的DNA复制过程必须有所不同。

    对原核生物中的DNA复制进行了非常充分的研究，这主要是因为基因组体积小，变异体数量很多。 大肠杆菌在单个圆形染色体中有 460 万个碱基对，所有碱基对在大约 42 分钟内即可复制，从单一复制起源开始，沿染色体双向移动。 这意味着每秒添加大约 1000 个核苷酸。 这个过程比真核生物快得多。 表\(\PageIndex{1}\)总结了原核生物和真核复制之间的区别。

    表\(\PageIndex{1}\)：原核生物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
    染色体结构 圆形 线性的
    端粒酶 不在场 当下

    概念在行动

    点击查看有关 DNA 复制的教程。

    DNA 修复

    DNA聚合酶在添加核苷酸时可能会犯错误。 它通过校对每个新添加的碱基来编辑DNA。 去除不正确的碱基并用正确的碱代替，然后继续聚合（图\(\PageIndex{6}\) a）。 大多数错误都会在复制过程中得到纠正，但如果没有发生这种情况，则会使用不匹配修复机制。 不匹配修复酶识别错误掺入的碱基并将其从 DNA 中切除，用正确的碱基代替（图\(\PageIndex{6}\) b）。 在另一种修复方式中，即核苷酸切除修复，DNA双链被解开并分离，去除错误的碱基以及5'和3'末端的几个碱基，然后通过在DNA聚合酶的帮助下复制模板来取代这些碱基（图\(\PageIndex{6}\) c）。 核苷酸切除修复对于校正胸腺嘧啶二聚体尤其重要，胸腺嘧啶二聚体主要由紫外线引起。 在胸腺嘧啶二聚体中，一条链上彼此相邻的两个胸腺嘧啶核苷酸相互共价结合，而不是它们的互补碱基。 如果二聚体不被移除和修复，它将导致突变。 核苷酸切除修复基因存在缺陷的人对阳光表现出极高的敏感性，并在生命的早期发展为皮肤癌。

    a 部分显示了 DNA 聚合酶在复制 DNA 链。 该酶不小心将 G 置于 A 对面，导致膨胀。 酶会备份以修复错误。 在 b 部分中，顶部插图显示了一条 G—T 碱基不匹配的复制 DNA 链。 底部插图显示了修复后的 DNA，它具有正确的 G—C 碱基配对。 c部分显示了形成胸腺嘧啶二聚体的DNA链。 切除修复酶会切出含有二聚体的 DNA 部分，这样就可以用普通的碱基对代替它。
    图\(\PageIndex{6}\)：使用 DNA 聚合酶 (a) 进行校对可纠正复制过程中的错误。 在不匹配修复 (b) 中，复制后会检测到添加错误的基础。 失配修复蛋白检测该碱基，并通过核酸酶作用将其从新合成的链中移除。 现在，空白由正确配对的底座填补。 核苷酸切除 (c) 可修复胸腺嘧啶二聚体。 当暴露于紫外线时，彼此相邻的胸腺嘧啶会形成胸腺嘧啶二聚体。 在正常细胞中，它们被切除并替换。

    大多数错误都得到纠正；如果不纠正，则可能导致突变——定义为DNA序列的永久变化。 修复基因的突变可能导致严重的后果，例如癌症。

    摘要

    DNA通过半保守的方法复制，其中两条亲本DNA链中的每条都充当合成新DNA的模板。 复制后，每个 DNA 都有一条亲代链或 “旧” 链，以及一条子链或 “新” 链。

    真核生物中的复制始于多个复制来源，而原核生物中的复制则从单一复制源开始。 DNA 用酶打开，从而形成复制叉。 Primase 合成 RNA 引物以启动 DNA 聚合酶的合成，DNA 聚合酶只能向一个方向添加核苷酸。 一条链沿着复制分叉的方向连续合成；这被称为前导链。 另一条链是在远离复制分叉的方向上合成的，用称为冈崎片段的短片段DNA片段合成。 这条线被称为滞后链。 复制完成后，RNA引物将被DNA核苷酸所取代，并用DNA连接酶封住DNA。

    真核染色体的末端存在问题，因为如果没有引物，聚合酶就无法延伸真核染色体的末端。 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。 当 DNA 受损或在复制过程中出现错误时，细胞具有修复 DNA 的机制。 这些机制包括错配修复以取代与非互补碱基配对的核苷酸，以及去除胸腺嘧啶二聚体等受损碱基的核苷酸切除修复。

    艺术联系

    图\(\PageIndex{3}\)：你分离出一种细胞菌株，其中冈崎片段的结合受到损害，并怀疑在复制叉上发现的酶发生了突变。 哪种酶最有可能发生突变？

    回答

    连接酶，因为这种酶将冈崎片段结合在一起。

    脚注

    1. 1 Mariella 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

    DNA 连接酶
    催化 DNA 片段结合在一起的酶
    DNA 聚合酶
    一种合成与模板链互补的新 DNA 链的酶
    解旋酶
    一种通过破坏氢键在 DNA 复制过程中帮助打开 DNA 螺旋的酶
    滞后股线
    在复制 3' 到 5' 链的过程中，该链被复制成短片段并远离复制分叉
    领先的股线
    在 5' 到 3' 方向连续合成的链，沿复制分叉方向合成
    不匹配修复
    一种 DNA 修复形式，其中非互补核苷酸被识别、切除并替换为正确的核苷酸
    突变
    基因组核苷酸序列的永久变异
    核苷酸切除修复
    一种 DNA 修复形式，其中 DNA 分子在核苷酸损伤区域展开和分离，使用互补链去除受损的核苷酸并用新的核苷酸代替，DNA 链被重新密封并允许其重新加入其补体
    冈崎碎片
    在滞后链上短时间合成的 DNA 片段
    底漆
    一小段的 RNA 核苷酸，是启动复制并允许 DNA 聚合酶结合并开始复制所必需的
    复制分叉
    复制开始时形成的 Y 形结构
    半保守复制
    用于复制 DNA 的方法，其中分离出双链分子，每条链充当合成新链的模板，因此由此产生的 DNA 分子由一条新的核苷酸链和一条旧的核苷酸链组成
    端粒酶
    一种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