【原】DNA的半保留復(fù)制與復(fù)制子

lcy1971 2020-02-04

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DNA復(fù)制（replication）是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是細(xì)胞分裂的前提條件，對于生物的生長和繁殖十分重要。關(guān)于DNA復(fù)制的基本機(jī)制，即半保留復(fù)制（semi-conservative replication），沃森和克里克在1953年5月就已經(jīng)根據(jù)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)提出（Nature. 1953），與其發(fā)表雙螺旋模型論文僅隔一個(gè)月。

1958年，加州大學(xué)的梅塞爾森（Meselson M）和斯塔爾（Stahl FW）用重同位素15N標(biāo)記大腸桿菌的親代DNA，在輕培養(yǎng)基中復(fù)制后，再用密度梯度離心分離，證實(shí)了DNA的半保留復(fù)制機(jī)制。

半保留復(fù)制模型。Proc Natl Acad Sci U S A. 1958

1963年凱恩斯（John Cairns）用放射自顯影技術(shù)直接觀察到了復(fù)制中DNA的圖像，進(jìn)一步證實(shí)了半保留復(fù)制機(jī)制。大腸桿菌DNA在氚標(biāo)記的胸苷中復(fù)制近兩代，然后進(jìn)行放射自顯影，未復(fù)制部分銀密度低，由一條放射鏈和一條非放射鏈組成；已復(fù)制部分有一條雙鏈?zhǔn)欠派涞?，一條雙鏈有一半是放射的（J Mol Biol. 1963）。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)同時(shí)證實(shí)了當(dāng)時(shí)對大腸桿菌基因組呈環(huán)狀排列的推測。因?yàn)橛^察到的環(huán)狀染色體的DNA呈θ狀，所以后來對環(huán)狀DNA的半保留復(fù)制稱為θ型復(fù)制。

原核生物多數(shù)采用θ型復(fù)制，但也有一些特殊的單向復(fù)制方式，如噬菌體φX174就采用滾環(huán)復(fù)制（rolling circle replication）：其DNA是環(huán)狀單鏈分子，復(fù)制時(shí)先形成雙鏈，再將正鏈切開，將5’連接在細(xì)胞膜上，從3’延長，滾動(dòng)合成出新的正鏈。某些質(zhì)粒采用滾環(huán)復(fù)制，線蟲的線粒體DNA也采用這種復(fù)制方式（下圖A）。

無脊椎動(dòng)物線粒體DNA的復(fù)制。Enzymes. 2016

線粒體DNA（mtDNA）的復(fù)制有多種方式，取代環(huán)（D環(huán)）是較常見的一種。脊椎動(dòng)物mtDNA的互補(bǔ)鏈由于其獨(dú)特的堿基組成而被稱為重鏈（H）和輕鏈（L），其復(fù)制起點(diǎn)不同（稱為OH和OL）。所以兩條鏈的復(fù)制是不對稱的，重鏈先復(fù)制，輕鏈保持單鏈而被取代，呈D環(huán)形狀。當(dāng)OL露出后輕鏈才開始復(fù)制。

其實(shí)脊椎動(dòng)物mtDNA的復(fù)制也有不同的模式，除傳統(tǒng)的D環(huán)（也稱為鏈取代，strand-displacement）模式外，還有中間生成RNA的RITOLS / bootlace模式和雙鏈同時(shí)復(fù)制的鏈結(jié)合（strand-coupled）模式（Enzymes. 2016）。

脊椎動(dòng)物線粒體DNA的復(fù)制。Enzymes. 2016

基因組中能獨(dú)立進(jìn)行復(fù)制的區(qū)域稱為復(fù)制子（replicon）。原核生物是單復(fù)制子，即整個(gè)基因組作為一個(gè)復(fù)制單位。真核生物是多復(fù)制子，將基因組分成多個(gè)區(qū)域分別復(fù)制。這樣可以加快復(fù)制速度，所以真核生物基因組雖然比原核生物大很多，但最終的復(fù)制時(shí)間仍在同一數(shù)量級。

原核與真核生物的復(fù)制起始模型。PLoS Genet. 2019

1963年，F(xiàn)rancois Jacob和Sydney Brenner提出了復(fù)制子模型來解釋DNA的復(fù)制機(jī)制。復(fù)制子模型包含兩個(gè)特定的組件：起始蛋白（initiator）和復(fù)制基因（replicator）。復(fù)制基因是順式元件，即DNA中的一段特定序列；起始蛋白是反式因子，可以識別并結(jié)合復(fù)制基因，從而啟動(dòng)復(fù)制過程。

復(fù)制基因中開始復(fù)制的序列稱為復(fù)制起點(diǎn)（origin of replication）。大腸桿菌的復(fù)制起點(diǎn)稱為oriC。從理論上說，復(fù)制起點(diǎn)是復(fù)制基因的一部分，不過這兩個(gè)詞也經(jīng)常混用。

大腸桿菌復(fù)制起點(diǎn)結(jié)構(gòu)。Front Microbiol. 2017

復(fù)制子假說得到許多研究結(jié)果的支持，也可以用來解釋很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，比如質(zhì)粒的不相容性：具有相同復(fù)制起點(diǎn)的質(zhì)粒需要相同的起始蛋白，競爭會(huì)影響其正常復(fù)制。

不同生物的具體復(fù)制機(jī)制有很大差別，但大體過程相同，都是識別起點(diǎn)-加載解旋酶-組裝復(fù)制體。下圖為真核生物、細(xì)菌、古細(xì)菌（archaea）和病毒的復(fù)制起始過程。

不同生物的復(fù)制起始。Curr Opin Struct Biol. 2018

有些生物的復(fù)制還有終止點(diǎn)（terminus）。大腸桿菌的復(fù)制終點(diǎn)稱為tus，含有23 bp的保守序列，由Tus蛋白與之結(jié)合，參與復(fù)制的終止。

大腸桿菌和枯草芽孢桿菌的復(fù)制終止。Structure. 1997

參考文獻(xiàn)：

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