岡崎片段(Okazaki fragments)是DNA復制過程中，后隨鏈（lagging strand）復制的中間產(chǎn)物，是一系列不連續(xù)的長度較短的核酸序列。在真核生物中岡崎片段長度大約為100-200nt；原核生物中則大約為1000-2000nt。岡崎片段是20世紀60年代由日本科學家岡崎令治、岡崎恒子以及其同事在研究噬菌體在大腸桿菌中的復制過程時發(fā)現(xiàn)，因此得名岡崎片段。

岡崎片段的發(fā)現(xiàn)過程中的三個主要實驗

脈沖標記實驗

在岡崎片段發(fā)現(xiàn)之前，人們已經(jīng)觀察到了DNA復制過程中形成的復制叉（replication fork），但對于后隨鏈的復制是否是連續(xù)的仍然未知。因為已知的DNA復制方向都是從5’向3’延伸，而復制叉中后隨鏈的合成方向從3’向5’；而且自然界中已發(fā)現(xiàn)的DNA聚合酶都是從5’向3’延伸。因此，岡崎團隊提出了一個假設，即DNA的后隨鏈是不連續(xù)復制（discontinuous replication）的，是通過5’向3’延伸出多個短的DNA序列，再進行連接從而合成后隨鏈。團隊通過脈沖標記實驗（pulse-labeling experiment），利用放射性同位素 標記了脫氧胸苷（dTTP），在被T4噬菌體侵染的大腸桿菌細胞與被標記的dTTP結合到特定的時間（2s, 7s, 15s, 30s, 60s, 120s）時終止實驗，提取出DNA后發(fā)現(xiàn)大量短的放射性標記的DNA產(chǎn)物，這暗示了DNA的復制可能是不連續(xù)的。

DNA連接酶溫敏突變實驗

他們希望弄清楚這些合成出的短鏈是否是通過DNA連接酶進行連接的，因此，他們用T4噬菌體侵染大腸桿菌，使被侵染的大腸桿菌產(chǎn)生溫度敏感型DNA連接酶，發(fā)現(xiàn)在高溫環(huán)境下，由于溫敏型DNA連接酶失活，這些大腸桿菌中的新和成的放射性標記短鏈DNA積累的更多，這進一步暗示了這些合成的DNA短鏈是通過DNA連接酶進行連接形成更長的DNA鏈。但是由于這些實驗結果顯示，被標記的DNA片段都是短鏈，基于此，當時科學家大都認為DNA復制叉上兩條鏈都以不連續(xù)復制進行合成，但卻無法解釋為什么前導鏈以5’向3’直接延伸也會是不連續(xù)的。

尿嘧啶片段探測實驗

為了確定這種不連續(xù)復制過程是只發(fā)生在一條鏈還是兩條鏈都如此，科學家利用尿嘧啶片段探測實驗進行驗證。在自然界中，大腸桿菌DNA復制過程中會有一定幾率錯誤的將dUTP摻入到DNA中從而形成A:U配對的情況，為了避免這種情況的發(fā)生，大腸桿菌具有兩種修復機制:一是從通過dUTPase將dUTP進行水解生成dUMP和Pi限制其摻入；二是通過尿嘧啶-N-糖苷酶(Uracil-N-glycosylase, UNG)作用，對摻入到DNA中的尿嘧啶糖苷鍵進行切割，形成脫嘌呤/脫嘧啶位點(Apurinic/Apyrimidinic site， AP site)，隨后再由脫嘌呤嘧啶核酸內(nèi)切酶(Apurinic/Apyrimidinic Endonucleases)進行切割引發(fā)切除修復。通過對大腸桿菌dUTPase缺陷突變體進行類似的脈沖標記實驗發(fā)現(xiàn)，實驗獲得了更多更短的新合成DNA片段，這是因為dUTPase缺失突變體中，dUTP更容易摻入DNA，被UNG切割后，沒來得及修復，被裂解后使得產(chǎn)生了更短的新合成產(chǎn)物；而利用大腸桿菌UNG缺失突變體進行脈沖標記實驗則發(fā)現(xiàn)，新合成的DNA片段中，只有一半是DNA短鏈，這是因為由于沒有UNG對尿嘧啶糖苷鍵進行切割，因此不會出現(xiàn)由于切除誤摻入DNA的dUTP而造成的短鏈產(chǎn)物，而只保留了以不連續(xù)短鏈進行合成的岡崎片段。

通過這些實驗結論，科學家推測，DNA的復制是半不連續(xù)復制(semi-discontinuous replication), 即前導鏈(leading strand)是連續(xù)復制而后隨鏈（lagging strand）是通過合成多個短的不連續(xù)的岡崎片段的方式進行復制。

岡崎片段的合成方式概述

在DNA復制過程中，DNA解螺旋后，首先需要由引發(fā)酶（primase）合成RNA引物，從而使DNA聚合酶能以此為基礎由5’向3’延伸合成DNA鏈，岡崎片段合成方式也是如此。在原核生物中，如大腸桿菌，它的引發(fā)酶是DnaG，需要與解旋酶DnaB，聚合酶pol III結合形成引發(fā)體（primosome）產(chǎn)生活性合成RNA引物。在真核生物中，通常由primase-DNA polymerase α (Prim-Pol α)合成RNA-DNA雜合引物，再由DNA聚合酶δ和聚合酶ε進行復制延伸。在兩個岡崎片段的連接部位，DNA聚合酶δ會繼續(xù)合成以替換掉RNA引物，使得RNA引物部分翹起而產(chǎn)生一個翹起結構(flap structure)，此時需要對翹起的RNA-DNA引物進行切除，其主要方式是通過Flap切割途徑（Flap pathway）和外切酶途徑（Exonucleolytic pathway）。隨后，由DNA連接酶I(DNA ligase I) 對兩個岡崎片段進行連接。

岡崎片段的生物學意義

由于DNA的兩條鏈反向互補，在合成過程中新合成的兩條鏈需要以母鏈(parental strands)為模板從同一個復制起點向兩個方向同時進行合成，在一個復制叉上，兩條子鏈的復制合成方向相同，但自然界中已發(fā)現(xiàn)的DNA聚合酶都是以5’向3’進行延伸，因此只有前導鏈可以按照這個方向進行延伸，而后隨鏈卻不能反向延伸。生物體通過以從5’向3’反復合成多條岡崎片段并進行連接的方式，合成后隨鏈，解決了這一矛盾并保證了DNA雙鏈復制的完整性，這種前導鏈連續(xù)復制和后隨鏈不連續(xù)復制即DNA合成的半不連續(xù)復制現(xiàn)象在生物界中普遍存在。 而岡崎片段缺失突變，可能會引起DNA斷裂以及染色體異常的情況，造成染色體形態(tài)、數(shù)量、倍型的變異。由于基因是染色體上的DNA序列，因此也會造成基因突變，進而影響物種的基因池。

科學