第一节　DNA复制的基本特征

DNA复制（DNA replication）是指亲代DNA双链解链，两股单链分别作为模板按照碱基配对原则指导合成新的互补链，从而形成两个子代DNA的过程，是细胞增殖和多数DNA病毒复制时发生的核心事件。因此，DNA的复制实际上是基因组的复制。

J. Watson和F. Crick于1953年提出DNA的双螺旋结构模型时就推测了其复制的基本特征，并认为碱基配对原则使DNA复制和修复成为可能。现已阐明，在绝大多数生物体内，DNA复制的基本特征是相同的。

一、半保留复制

半保留复制（semiconservative replication）是指DNA复制时，亲代DNA双链解成两股单链，分别作为模板，按照碱基配对原则指导合成新的互补链，最后形成与亲代DNA相同的两个子代DNA分子，每个子代DNA分子都含有一股亲代DNA链和一股新生DNA链（图2-2）。

图2-2　半保留复制

1958年，M. Meselson和F. Stahl通过实验（Meselson-Stahl experiment）研究证明，DNA的复制方式是半保留复制。他们先用以15NH4Cl作为唯一氮源的培养基（称为重培养基）培养大肠杆菌，繁殖约15代（每代20～30分钟），使其DNA全部标记为15N-DNA，再改用含14NH4Cl的普通培养基（称为轻培养基）继续培养，在不同时刻收集大肠杆菌，提取DNA。用氯化铯密度梯度离心法分析DNA（140000×g，约48小时），15N-DNA的浮力密度最高（ρ=1.80），离心形成的条带称为高密度带，最靠近离心管底端；14N-DNA的浮力密度最低（ρ=1.65），离心形成的条带称为低密度带，最靠近离心管顶端；14N/15N-DNA离心形成的条带称为中密度带，位于前两种条带之间。结果表明，细菌在重培养基中增殖时合成的DNA显示为一条高密度带，转入轻培养基中繁殖的子一代DNA显示为一条中密度带，子二代DNA显示为一条中密度带和一条低密度带（图2-3）。因此，DNA的复制方式不是全保留复制、分散复制，而是半保留复制。

图2-3　Meselson-Stahl实验

半保留复制是DNA复制最重要的特征。DNA分子独特的双螺旋结构为复制提供了精确的模板，碱基配对原则保证了亲代和子代遗传信息的高度保真。通过半保留复制，新形成的两个子代DNA分子的核苷酸序列均与亲代DNA完全一致，保留亲代DNA的全部遗传信息，维护遗传信息传递的稳定性与延续性。

二、双向复制

DNA的解链和复制是从有特定序列的位点开始的，该位点称为复制起点（ori）。从一个复制起点启动复制的全部DNA序列是一个复制单位，称为复制子（replicon）。原核生物的DNA分子通常只有一个复制起点，因而构成一个复制子。真核生物的染色体DNA有多个复制起点，因而构成多复制子，这些复制起点分别控制一段DNA的复制，并共同完成整个DNA分子的复制（图2-4）。

图2-4　复制起点与复制方向

1963年，J. Cairns等用放射自显影技术（autoradiography）研究大肠杆菌DNA的复制过程，证明其先从复制起点解开双链，然后边解链边复制，所以在解链处形成分叉结构，这种结构称为复制叉（replication fork）。

绝大多数生物的DNA从复制起点解链时都是双向解链，形成两个复制叉，这种方式称为双向复制（bidirectional replication，图2-4）。

三、半不连续复制

DNA的两股链是反向互补的，但DNA新生链的合成是单向的，只能以5'→3'方向合成。因此，在一个复制叉上，一股新生链的合成方向与其模板的解链方向相同，合成与解链可以同步进行，合成是连续的，这股新生链称为前导链（leading strand）；另一股新生链的合成方向与其模板的解链方向相反，只能先解开一段模板，再合成一段新生链，合成是不连续的，这股新生链称为后随链（lagging strand）。半不连续复制由R. Okazaki团队阐明，故分段合成的后随链片段称为冈崎片段（Okazaki fragment，图2-5）。真核生物和细菌冈崎片段的长度分别为150～200nt和1000～2000nt。在一个复制叉上进行的这种DNA复制称为半不连续复制（semidiscontinuous replication）。

图2-5　半不连续复制