DNA复制的过程

DNA 复制的过程 图 复制的过程 图 DNA 复制过程大致可以分为复制的引发 DNA 链的延伸和 DNA 复制的 终止三个阶段 一一 D DN NA A 复复制制的的引引发发 复制的引发 P riming 阶段包括 DNA 复制起点双链 解开 通过转录 激 活步骤合成 RNA 分 子 RNA 引物 的合 成 DNA 聚合 酶将 第一个脱氧 核苷酸 加到引物 RNA 的 3 OH 末端复制 引发 的关键步骤就 是前 导链 DNA 的合成 一旦前导链 DNA 的 聚合作用开始 滞 后链上的 DNA 合成 也随着开始 在所有前导链开始 聚合之前有一必需 的步骤就是由RNA 聚合酶 不是引物酶 沿滞后链模板转录一短的RN A 分子 在有些DNA 复制中 如质粒 ColE 该 RNA 分子经过加式成 为 DNA 复制的引 物 但是 在大部分DNA 复制中 该 RNA 分子没有引 物作用 它的作 用似乎只是分开两条DNA 链 暴露出某些特定序列以 便引发体与之结合 在前导链模板DNA 上开始合成 RNA 引物 这个过 程称为转录激活 transcriptional activation 在前导链的复制引 发过程中还需要其 他一些蛋白质 如大肠杆菌的dnaA 蛋白 这两种 蛋白质可以和复制起点处 DNA 上高度保守的4 个 9bp 长的序列结合 其具体功能尚不清楚 可能是这些蛋白质与DNA 复制起点结合后能促 进 DNA 聚合酶 复合体的七种蛋白质在复制起点处装配成有功能的全酶 DNA 复制开始 时 DNA 螺旋酶首先在复制起点处将双链DNA 解开 通过转录激活合 成的 RNA 分子也起分离两条DNA 链的作用 然后单链 DNA 结合蛋白质 结合在被解开的链上 由复制因子X n 蛋白 复制 因子 Y n 蛋白 n 蛋白 i 蛋白 dnaB 蛋白和 dnaC 蛋白等 6 种蛋 白质组成的引发 前体 preprimosome 在单链 DNA 结合蛋白的作用下 与单链 DNA 结合生成中间物 这是一种前引发过程 引发前体进一步与 引物酶 primase 组装成引发体 primosome 引发体可以在单链DN A 上移动 在 dnaB 亚基的作用下识别DNA 复制起点位置 首先在前导 链上由引物酶催化合成一段RNA 引物 然后 引发体在滞后链上沿 5 3 方向不停的移动 这是一种相对移动 也可能是滞后链模板在移 动 见后 在一定距离上反复合成RNA 引物供 DNA 聚合酶 合成冈 崎片段使用 引发体中许多蛋白因子的功能尚不清楚 但是 这些成份 必须协同工作才能使引发体在滞后链上移动 识别合适的引物合成位置 并将核苷酸在引发位置上聚合成RNA 引物 由于引发体在滞后链模 板上的移动方向与其合成引物的方向相反 所以在滞后链上所合成的RNA 引物非常短 一般只有3 5 个核苷酸长 而且 在同一种生物体细胞中 这些引物都具有相似的序列 表明引物酶要在DNA 滞后链模板上比较 特定的位置 序列 上才能合成 RNA 引物 为什么需要有RNA 引物来引发 DNA 复制呢 这可能尽量减少DNA 复制起始处的突变有关 DNA 复制开始处的几个核苷酸最容易出现差错 因此 用 RNA 引物即使出现差错最后也要被DNA 聚合酶 切除 提 高了 DNA 复制的准确性 RNA 引物形成后 由DNA 聚合酶 催化将第 一个脱氧核苷酸按碱基互补原则加在RNA 引物 3 OH 端而进入 DNA 链的延伸阶段 二二 D DN NA A 链链的的延延伸伸 DNA 新生链的合成由DNA 聚合酶 所催化 然而 DNA 必须由螺 旋酶在复制叉处边移动边解开双链 这样就产生了一种拓扑学上的问题 由于 DNA 的解链 在 DNA 双链区势必产生正超螺旋 在环状DNA 中 更为明显 当达到一定程度后就会造成复制叉难再继续前进 从而终止D NA 复制 但是 在细胞内DNA 复制不会因出现拓扑学问题而停止 有 两种机制可以防止这种现象发生 1 DNA 在生物细胞中本身就是超螺 旋 当 DNA 解链而产生正超螺旋时 可以被原来存在的负超螺旋所中和 2 DNA 拓扑异构酶 要以打开一条链 使正超螺旋状态转变成松弛状态 而 DNA 拓扑异构酶 旋转酶 可以在 DNA 解链前方不停地继续将负 超螺旋引入双链DNA 这两种机制保证了无论是环状DNA 还是开环 D NA 的复制顺利的解链 再由DNA 聚合酶 合成新的 DNA 链 前已述 及 DNA 生长链的延伸主要由DNA 聚合酶催化 该酶是由7 种蛋白质 多肽 组成的聚合体 称为全酶 全酶中所有亚基对完成DNA 复制都 是必需的 亚基具有聚合功能和5 3 外切酶活性 亚基具有 3 5 外切酶活性 另外 全酶中还有ATP 分子它是 DNA 聚合酶 催化第一个脱氧核糖核苷酸连接在RNA 引物上所必需的 其他亚基的 功能尚不清楚 在 DNA 复制叉处要能由两套DNA 聚合酶 在同一时间分别进行复 制 DNA 前导链和滞后链 如果滞后链模板环绕DNA 聚合酶 全酶 并 通过 DNA 聚合酶 然后再折向与未解链的双链DNA 在同一方向上 则滞后链的合成可以和前导链的合成在同一方向上进行 这样 当 DNA 聚合酶 沿着滞后链模板移动时 由特异的引物酶催 化合成的 RNA 引物即可以由DNA 聚合酶 所延伸 当合成的DNA 链 到达前一次合成的冈崎片段的位置时 滞后链模板及刚合成的冈崎片断 便从 DNA 聚合酶 上释放出来 这时 由于复制叉继续向前运动 便产 生了又一段单链的滞后链模板 它重新环绕DNA 聚合酶 全酶 并通 过 DNA 聚合酶 开始合成新的滞后链冈崎片段 通过这样的机制 前导 链的合成不会超过滞后链太多 最后只有一个冈崎片段的长度 而 且 这样引发体在DNA 链上和 DNA 聚合酶 以同一速度移动 按上述 DNA 复制的机制 在复制叉附近 形成了以两套DNA 聚 合酶 全酶分子 引发体和螺旋构成的类似核糖体大小的复合体 称为D NA 复制体 replisome 复制体在 DNA 前导链模板和滞后链模板上移 动时便合成了连续的DNA 前导链和由许多冈崎片段组成的滞后链 在DN A 合成延伸过程中主要是DNA 聚合酶 的作用 当冈崎片段形成后 D NA 聚合酶 通过其 5 3 外切酶活性切除冈崎片段上的RNA 引物 同时 利用后一个冈崎片段作为引物由5 3 合成 DNA 最后两个冈 崎片段由 DNA 连接酶将其接起来 形成完整的DNA 滞后链 三三 D DN NA A 复复制制的的终终止止 过去认为 DNA 一旦复制开始 就会将该DNA 分子全部复制完毕 才终止其 DNA 复制 但最近的实验表明 在DNA 上也存在着复制终 止位点 DNA 复制将在复制终止位点处终止 并不一定等全部DNA 合成完毕 但目前对复制终止位点的结构和功能了解甚少在NDA 复 制终止阶段令人困惑的一个问题是 线性DNA 分子两端是如何完成其 复制的 已知 DNA 复制都要有 RNA 引物参与 当RNA 引物被切除后 中间所遗留的间隙由DNA 聚合 所填充 但是 在线性分子的两端以5 3 为模板的滞后链的合成 其末端的RNA 引物被切除后是无法被D NA 聚合酶所填充的 在研究 T7DNA 复制时 这个问题部分地得到了解决 T7DNA 两端 的 DNA 序列区有 160bp 长的序列完全相同 而且 在T7DNA 复制时 产生的子代DNA 分子不是一个单位T7DNA 长度 而是许多单位长度 的 T7DNA 首尾连接在一起 T7DNA 两个子代 DNA 分子都会有一个3 端单链尾巴 两个子代DNA 的 3 端尾巴以互补结合形成两个单位T7 DNA 的线性连接 然后由DNA 聚合酶 填充和 DNA 连接酶连接后 继 续复制便形成四个单位长度的T7DNA 分子 这样复制下去 便可形成 多个单位长度的T7DNA 分子 这样的T7DNA 分子可以被特异的内切酶 切开 用 DNA 聚合酶填充与亲代DNA 完全一样的双链T7DNA 分子 在研究痘病毒复制时 发现了线性DNA 分子完成末端复制的第二 种方式 痘病毒DNA 在两端都形成发夹环状结构 DNA 复制时 在线 性分子中间的一个复制起点开始 双向进行 将发夹环状结构变成双链 环状 DNA 然后 在发夹的中央将不同DNA 链切开 使 DNA 分子变性 双链分开 这样 在每个分子两端形成一个单链尾端要以自我互补 形成完整的发夹结构 与亲代DNA 分子一样 在真核生物染色体线性D NA 分子复制时 尚不清楚末端的复制过程是怎样进行的 也可能像痘病 毒那样形成发夹结构而进行复制 但最近的实验表明 真核生物染色体 末端 DNA 复制是由一种特殊的酶将一个新的末端DNA 序列加在刚刚完 成复制的 DNA 末端 这种机制首先在四膜虫中发现 该生物细胞的线性 DNA 分子末端有 30 70 拷贝的 5 TTGGGG3 序列 该细胞中存在一种酶 可以将 TTGGGG 序列加在事先已存在的单键DNA 末端的 TTGGG