第一节
复制的基本特征

一、半保留复制

半保留复制是DNA复制最重要的特征。复制时，亲代DNA双链解开变成两条单链，每条链均可为模板遵照碱基互补配对原则指导合成新的互补链，复制产生的子代DNA拥有与亲代DNA完全相同的碱基序列。在子代双链DNA分子中，一条链是亲代DNA保留下来的，另一条链是新合成的，这种复制方式称为半保留复制（semiconservative replication）。

DNA半保留复制的设想，在1953年James Watson和Francis Crick提出DNA双螺旋结构模型时就已提出。1958年，M.Meselson和F.Stahl利用同位素标记和密度梯度离心实验在大肠杆菌（E.coli）中首次证实半保留复制的方式。将大肠杆菌置于以重氮（ ¹⁵ N）标记的 ¹⁵ NH ₄ Cl为氮源的培养基中培养15代（每代20～30分钟），使DNA全部被 ¹⁵ N标记，得到 ¹⁵ N-DNA。由于 ¹⁵ N-DNA的密度较普通 ¹⁴ N-DNA大，经过密度梯度离心后 ¹⁵ N-DNA下沉，显示为重密度区带。再将这些含 ¹⁵ N-DNA的E.coli转到含 ¹⁴ NH ₄ Cl的培养基（轻培养基）中继续培养，培养一代后，大肠杆菌形成了一条链为 ¹⁵ N标记，另一条链为 ¹⁴ N标记的杂合DNA分子，离心后出现位置介于 ¹⁵ N-DNA与 ¹⁴ N-DNA间的一条中密度区带。培养两代后离心，出现中密度和轻密度两条区带（图4-2）。随着E.coli在含 ¹⁴ NH ₄ Cl培养基中培养代数的增加，中密度带保持不变，低密度区带逐渐加宽，研究结果完全支持DNA半保留复制的假说。

二、双向复制

DNA复制从DNA分子的特定部位开始，此特定部位称为复制起始点（origin of replication，ori）。DNA复制时，在复制起始点亲代分子打开双链，随后以两股单链为模板复制生成两个子代DNA双链分子，复制起始点呈现一叉形（或丫形）结构，称为复制叉（replication fork）（图4-3）。

DNA分子上相邻两个复制起始点间的核苷酸序列，称为一个复制子（replicon），是完成DNA复制的独立功能单位。

复制进行中，复制叉向前移动。复制叉的移动有几种不同的方向：一是从两个起始点开始，各以相反的单一方向移动解链，形成两个复制叉（图4-4a），如腺病毒DNA的复制；二是从1个起始点开始，以同一方向解链，形成1个复制叉（图4-4b），如质粒ColE I；三是从1个起始点开始，沿2个相反的方向解链，形成两个复制叉（图4-4c），这种方式最为常见，也是最重要的，称为双向复制（bidirectional replication），如大肠杆菌（E.coli）基因组DNA是环状的，只含一个复制起始点，双向复制是从唯一的ori开始形成两个反向移动的复制叉，属于单复制子复制。真核生物DNA分子庞大、复杂，每条染色体上存在多个复制起始点，同时进行着多个DNA片段的复制，其双向复制是每个起始点产生两个反向延伸的复制叉，在复制完成时，复制叉彼此间相遇并汇合连接。真核生物的双向复制为多复制子复制。

三、半不连续复制

DNA双螺旋两条链的走向是反向平行的，一条链为5'→3'方向，另一条为3'→5'方向。复制时，两条链各自作为模板，指导新的子代DNA合成。由于目前已知的DNA聚合酶都只能催化核苷酸发生5'→3'聚合反应，因此DNA新链的合成只能沿着5'→3'方向进行。3'→5'方向的模板链指导生成的子代DNA，因其合成方向与解链方向即复制叉前进的方向一致，所以连续复制，称为领头链或前导链（leading strand）。而5'→3'方向的模板链指导生成的子代DNA，因其合成方向与复制叉的前进方向相反，必须等待模板链解开一定长度后，才能按照模板的指导沿着5'→3'方向合成子代DNA的一部分，这部分子链合成结束后，又需等待下一段模板解链至足够长度再合成。因此这条链的合成是间断、不连续的，称为随从链或后随链（lagging strand）。后随链在合成过程中生成多条DNA小片段。这些小片段是1968年日本科学家Reiji Okazaki在验证DNA复制的不连续性实验中发现的，因此称为冈崎片段（Okazaki fragments）。复制完成后各冈崎片段拼接成一条完整的DNA链。由此可见，DNA复制过程中，前导链合成方向与解链方向一致，连续复制，后随链合成方向与解链方向相反，不连续复制，这样的复制模式称为半不连续复制（semidiscontinuous replication）。 E/C81rFTbT6ViMuWDsM95RGaB1HbpdnxTsAT+v+VoQ74R3298xhYAyJtKI7cW6e4