4.2 半保留复制的过程和特点在线视频

大家好

前面我们已经了解了

DNA作为遗传物质被发现的经过

以及DNA分子的结构

今天我们来看一下作为

遗传物质的DNA是如何通过

复制来完成遗传信息的传递的

生命的遗传实际上

是染色体DNA自我复制的结果

而染色体DNA的自我复制

主要是通过半保留复制来实现的

是一个以亲代DNA分子

为模板合成子代DNA 链的过程

以DNA的双螺旋结构为基础

G只能与C 相配对

A 只能与T 相配对

所以 一 条链 上的核昔酸

排列顺序决定了

另一条链上的核苷酸序列

这对于维待遗传物质的稳定性

和复制的准确性都是极为重要的

DNA在复制过程中碱基间的氢键断裂

双螺旋解旋并分开

每条链分别作为模板合成新链

产生互补的两条链

这样新形成的两个DNA分子

与原来 DNA 分子的碱基顺序完全一样

因此

每个子代分子的一条链来自亲代 DNA

另一条链则是新合成的

所以这种复制方式

被称为 DNA 的半保留复制

实验巳经证明

无论是原核生物还是真核生物

其DNA都是以半保留复制方式遗传的

半保留复制的原理看似简单

但由于DNA双链的反向走向

染色体的超螺旋和高级结构

解链后的互补单链倾向于重新复性

复制的起点和终点

以及复制过程中的错误

这些因素都无疑增加了

DNA复制过程的复杂性

复制时

首先双链DNA要解开

成两股单链分别进行

所以

这个复制起始点呈现叉子的形式

被称为复制叉(replication fork)

生物体内能独立进行复制的

单位称为复制子(replicon)

实验证明

DNA的复制是由固定的起始点开始的

并在特定的终止点结束复制

因此

从复制起始点到终止点的

区域为一个复制子

一个复制子只含

一个复制起始点(origin)

起始点可以启动单向复制或者双向复制

从而形成一个复制叉或者两个复制叉

复制叉从复制起始点开始

沿着DNA链连续移动

通常

细菌 病毒和线粒体的DNA分子

都是作为单个复制子完成复制的

而真核生物基因组可以

同时在多个复制起始点上进行双向复制

也就是说它们的基因组包含有多个复制子

这些复制子并非同时起作用

一般情况下

在特定的时间范围内

只有不超过15%的复制子进行复制

在复制开始时DNA 双螺旋首先需要解旋

使得超螺旋分子松弛

这是一个有多种蛋白质及酶参与的复杂过程

其中一个关键是DNA拓扑异构酶

暂时将DNA的一个链或两个链切断

切断一个链而改变拓扑结构

的称为Ⅰ型拓扑异构酶（topoisomeraseⅠ）

通过切断二个链

来进行的称为Ⅱ型拓扑异构酶

它在DNA解旋或解链推进过程中

在将要打结或已打结处作切口

下游的DNA穿越切口并作一定程度的旋转

把结打开或解松

然后旋转复位连结

这样解链就不会因打结

或者正超螺旋的阻绊而继续下去

继而起作用的是DNA解旋酶

其作用是解开双螺旋互补配对的氢键

解旋酶由解旋酶装载器通过

水解ATP的能量

将解旋酶装载到单链DNA上

然后解旋酶装载器离开

DNA解旋酶激活

完成剩下的DNA双链的解链

已经解开的DNA单链由于碱基互补配对

它们有重新结合成双链的倾向

这时

单链结合蛋白（SSB）结合于

沿复制叉方向向前推进产生的单链区

防止新形成的单链重新复性成双链

或者防止它们被DNA核酸酶降解

单链结合蛋白不像DNA聚合酶那样

随着复制方向向前移动

而是不停的结合

脱离

再结合

下面我们以大肠杆菌为例

来看一下复制起始点的基本结构特征

大肠杆菌的复制起始点称为OriC

大约250bp

其中包含4个9核苷酸的保守序列

和3个13个富含A

T的保守的核苷酸的串联重复

分别命名为ATP-DnaA蛋白

选择性低亲和力位点和DNA解链元件

这9核苷酸的

保守序列又称为DnaA box

位于两边的DnaA box

对比位于中间的DnaA-box

对ATP-DnaA有更高的亲和力

首先结合ATP-DnaA蛋白

大约20多个DnaA蛋白形成多聚体

并进一步招募DnaB

后者实为解旋酶

这样

由于解链区3个13个核苷酸的

保守序列高AT含量

所需解链的能量低

因此在DnaC的帮助下

DnaB从复制起始点的解链区开始解链

然后引物酶

也就是DnaG蛋白

和DNA聚合酶随即启动DNA复制

由于DNA聚合酶无法从头合成新链

因此首先由引物酶

以模板DNA合成一小段RNA互补引物

然后DNA聚合酶

接着此RNA引物的

3’OH继续以母链为

模板延伸合成互补新链

DNA聚合酶共有三种亚型

参与复制延伸过程的是DNA聚合酶III

三种DNA聚合酶都具有方向性

只能从5’向3’端延伸

因此

这意味着随着复制叉的推进

两条解链的DNA模板链必然有

一条链的解链方向和新链合成方向一致

新链连续合成称为前导链

而另一条链的解链方向与新链合成方向相反

合成只能分段进行

称为滞后链

日本学者冈崎（Okazaki）等人

1968年用3H脱氧胸苷

短时间标记大肠杆菌

提取DNA

变性后用超离心方法

得到了许多3H标记的DNA小片段

证实了滞后链的分段合成的方式

因此这些短的DNA片段

被后人称作冈崎片段

冈崎片段复制延伸到

前一个片段的5’端时

由DNA聚合酶I发挥

其5’-3’外切酶活性

水解前一个冈崎片段的RNA引物

同时继续以后一个片段

的3’-OH延伸合成子链

填补RNA水解后的空隙

这个过程称为切口平移

最后由DNA连接酶连接相邻

的冈崎片段成为一条完整子链

好了

本节课我们了解了DNA

半保留复制的具体过程和特点

重点以大肠杆菌复制起始点为例

讲解了OriC的结构

和参与复制起始的蛋白质因子

下节课

我们来看看几种特殊形式的复制方式

期待下节课再见