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DNA複製

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參與DNA複製叉工作的許多酶。

在分子生物學中，DNA複製（DNA replication）是指DNA雙股在細胞分裂間期階段進行以一個初始DNA分子產生兩個相同的DNA複製品的生物過程[1]。DNA 複製發生在所有真核生物體中，是生物遺傳中最重要的機制；除了對於生長和受損組織修復過程中的細胞分裂至關重要，它還確保每個新細胞接收到自己的 DNA 拷貝[2]。

真核細胞的DNA複製發生於細胞核內（線粒體與葉綠體內於基質亦有此現象）；原核細胞則發生於細胞質內

對於雙股DNA（即絕大部分生物體內的DNA）來說，在正常情況下，這個過程開始於一個親代DNA分子，最後產生出兩個相同的子代DNA分子。親代雙股DNA分子的每條單股都被作為模板，用以合成新的互補單股，這一過程被稱為半保留複製。細胞的校對機制確保了DNA複製近乎完美的準確性。

在細胞當中，DNA複製起始於基因組的特殊位點，稱為「複製起點」。起始於複製起點的DNA解鏈和新鏈的合成會形成複製叉。除了DNA聚合酶外，一些酶（引發酶、DNA連接酶）通過添加和模板相配的核苷酸來合成新DNA，一些和複製叉連接的其他酶或蛋白（拓撲異構酶、解旋酶、單股DNA結合蛋白、引發酶、DNA連接酶）對DNA的複製起始、穩定、延伸起輔助作用。

DNA複製也可以在體外（即人工地）進行，從細胞中分離的DNA聚合酶和人造的DNA複製引子可以用來啟動以已知序列的DNA分子為模板的複製，聚合酶連鎖反應（PCR）是一種常見的實驗室技術，這種採用了循環方式的人工合成，在一個DNA池中擴增出特定的DNA片段。

DNA複製時，原本呈雙螺旋結構的兩條鏈已經打開，並且每一條單股都作為下一條新鏈的模板。各個核苷酸按照鹼基互補配對原則被合成新的鹼基對。

DNA的結構

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主條目：脫氧核糖核酸

DNA通常是一個雙股的結構，兩條單股互相盤繞從而表現出雙螺旋結構。脫氧核糖核苷酸是DNA的單體。DNA的每一條單股都是由四種鹼基不同的脫氧核糖核苷酸構成的，這四種鹼基即：腺嘌呤（A）、胞嘧啶（C）、鳥嘌呤（G）和胸腺嘧啶（T）。一個核苷酸可以是一磷酸、二磷酸或者三磷酸的，也就是說，一個脫氧核糖連接着一個、兩個或者三個磷酸基團。每條單股中相鄰的脫氧核糖核苷酸都通過化學反應生成磷酸二酯鍵相連接，以此形成了DNA雙螺旋結構中由磷酸基團和脫氧核糖組成的骨架，而骨架裏面即是鹼基對。兩條單股之間的核苷（即鹼基）通過氫鍵形成鹼基對相連。一般情況下，A只與T相連，而C只與G相連。

DNA鏈是具有方向性的，對於DNA的一條單股來說，它的兩個末端分別被命名為「3'端」和「5'端」。DNA兩條單股的結構之所以被描述為「反向平行雙螺旋」，其中的「反向」即指兩條單股中，一條鏈的方向是從3'端到5'端，而另一條則相反，是從5'端到3'端。5和3指的是在一個脫氧核糖中連接着相鄰的磷酸基團的兩個碳原子。方向性對於DNA合成有重要的意義，因為在DNA合成的過程中，DNA聚合酶只能向3'端的方向添加新的脫氧核糖核苷酸。

DNA中兩條鏈的鹼基是通過氫鍵連接實現一一配對的，這意味着一個DNA中的兩條單股都包含着完全相同的資訊。這樣，一條單股中的核苷酸可以用來重建互補鏈中預期相對的核苷酸。

DNA聚合酶

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主條目：DNA聚合酶
DNA聚合酶在一條鏈的5'端添加核苷酸。如果意外地出現了一個錯配，那麼DNA聚合酶將會停止繼續合成DNA。校對機制會移去錯配的核苷酸，之後繼續合成DNA。

在所有形式的DNA複製中，DNA聚合酶都是必需的一類酶。不過，一個DNA聚合酶只能根據模板股，延長已經存在的DNA鏈，並不能直接開始合成一條新鏈以起始DNA複製。要起始DNA複製，必須先合成一小段與模板股配對的，被稱之為引子的DNA或者RNA鏈。

之後，DNA聚合酶會通過磷酸二酯鍵的連接，添加與模板股配對的核苷酸，從而向引子股的3'端方向合成DNA。每一個未結合的鹼基都連着三個磷酸基，DNA合成的能量即來自於其中的兩個磷酸基。（自由的鹼基和與之相連的磷酸基團統稱為三磷酸核苷）當一個核苷酸被添加到正在延長的DNA鏈上時，它的兩個磷酸基團將脫落，釋放的能量將會生成一個磷酸二酯鍵把剩下的磷酸基團和DNA鏈連接起來。這樣的能量機制也可以用來解釋複製的方向性——如果DNA是從3'端向5'端合成的話，那麼能量就會通過5'端提供而不是自由的核苷酸了。

一般來說，DNA聚合酶是相當精準的，每添加107個核苷酸，發生的錯誤不超過一個。即使是這樣，有些DNA聚合酶也具有校對的能力，他們可以移除錯配的鹼基。如果5'端核苷酸在校正的過程中需要被移除，那麼三磷酸末端就會丟失。因此，用於提供添加新核苷酸的能量來源也就丟失了。

預測和實驗

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DNA複製是透過名為半保留複製的機制來得以順利完成的。半保留複製是由沃森與克里克所預測，並且由馬修·麥賽爾森（Matthew Meselson）和富蘭克林·斯特爾（Franklin Stahl）於1958年進行研究而得以證實。

預測

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沃森和克里克在提出DNA的雙螺旋結構模型時就對DNA的複製過程進行了預測。由於DNA鹼基對的配對原則，兩條鏈是互補的，因此，雙股中的任意一條鏈都含有完整的遺傳資訊。沃森和克里克推測，在DNA複製過程中氫鍵首先斷裂，雙螺旋解旋並被分開，每條鏈分別作為模板各自合成一條新的互補鏈。這樣就產生了兩個與原來DNA分子的鹼基順序一樣的新的DNA分子。而新DNA分子的一條鏈來自親代DNA分子，另一條鏈是新合成的，因此，這種複製方式稱為半保留複製。

實驗

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主條目：米西爾遜-斯特爾實驗

1958年，馬修·麥賽爾森（Matthew Meselson）和富蘭克林·斯特爾（Franklin Stahl）用同位素標記法和氯化銫密度梯度離心法證明了沃森和克里克的半保留複製模型。這個實驗被稱作麥賽爾森–斯特爾實驗。

過程

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脫氧核醣核酸A-T鹼基對只有兩條氫鍵相連。

複製可以分為以下幾個階段：

  • 起始階段：DNA解旋酶在局部展開雙螺旋結構的DNA分子為單股，引子酶辨認複製起點（起始位點），以解開的一段DNA為模板，按照5'到3'方向合成RNA短鏈。形成RNA引子。
  • DNA片段的生成：在引子提供了3'-OH末端的基礎上，DNA聚合酶催化DNA的兩條鏈同時進行複製過程，由於複製過程只能由5'→3'方向合成，因此一條鏈能夠連續合成，另一條鏈分段合成，其中每一段短鏈成為岡崎片段（Okazaki fragments）。
  • RNA引子的水解：當DNA合成一定長度後，DNA聚合酶水解RNA引子，補填缺口。
  • DNA連接酶將DNA片段連接起來，形成完整的DNA分子。最後DNA新合成的片段在旋轉酶的幫助下重新形成螺旋狀。

起始

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進行DNA複製起點作用的引發器。

細胞分裂一般需要先複製其DNA。這個過程在DNA上的一個特殊位點上開始，這一位點被稱之為複製起點（英語：Origin of Replication, ori）或起始位點，該序列被歸類為共同序列（英語：Consenseus Sequence），因為此處核苷酸序列基本上都相同，相關的解螺旋酶作用於這個位點，DNA的雙股被分開，複製隨即開始。複製起點包含一段可以被複製啟動蛋白（比如大腸桿菌中的dnaA以及酵母菌中的起始點識別複合物）識別的DNA序列。這些啟動蛋白吸引其他的蛋白質把DNA的雙股打開並開啟複製叉（replication fork）。

啟動蛋白吸引其他相關蛋白組成了前複製複合物，它可以在複製起點打開DNA鏈並形成一個泡。複製起點的序列傾向於富含A-T鹼基對，這有益於啟動的實現，因為A-T鹼基對只有兩條氫鍵相連（C-G鹼基對有三個），一般來說，這樣的結構使得打開雙股更加容易，因為氫鍵的數量越多則打斷它們需要的能量也越多。

所有已知的DNA複製系統在複製開始前都需要一個自由的3'羥基。現在已發現四種不同的複製機制。

  1. 所有的真核生物、許多DNA病毒、噬菌體和質粒用引子酶合成一小段包含有一個自由3'羥基的RNA引子，DNA聚合酶隨後會順着3'羥基延長序列。
  2. 反轉錄轉座子（包括反轉錄病毒）在反轉錄酶的輔作用下利用轉移RNA為DNA的複製延伸提供自由3′ OH。
  3. 在腺病毒和細菌噬菌體φ29家族中，DNA聚合酶將核苷酸添加到基因組附蛋白以合成新鏈，組成基因組附蛋白的氨基酸側鏈提供3' OH。
  4. 在單股DNA病毒（包括環狀病毒、雙粒病毒、細小病毒以及其他單股DNA病毒）、許多噬菌體和質粒中，採用環狀複製機制（RCR）。RCR內切酶先在基因鏈上（對於單股病毒）或者DNA的一條鏈上（對於質粒）製造一個缺口。缺口鏈的5'端被運送到核酸酶的酪氨酸殘基上，而自由的3'羥基端則被用作DNA聚合酶複製新鏈的起點。

這些機制中被了解最深入的是真核生物的複製機制。DNA首先解開螺旋，雙股被打開，RNA引子與模板鏈結合。特別來說，領先股的活動區域只結合一個RNA引子；而延遲股則結合幾個，這幾個RNA引子生成的斷斷續續的延遲股稱之為岡崎片段，以其發現者命名。

DNA聚合酶在合成領先股時是持續合成的，而在延遲股時卻是不連續合成的（這是因為合成的方向性，請參考岡崎片段）。RNA水解酶（RNase）會水解那些曾用於使DNA聚合酶起始複製的RNA片段，另一些DNA聚合酶會進去缺口並生成DNA填補缺口。當這一步完成時，領先股的一個缺口和延遲股的數個缺口都會被填補上。DNA連接酶將會填補這些缺口，從而完成新DNA分子的合成。

古菌、真核生物在這個過程中使用的引子酶，和細菌使用的有所不同。細菌用的引發酶屬於DnG蛋白質超家族含有一個TOPRIM摺疊型的催化域。TOPRIM摺疊包含一個α/β核心和四條保守鏈，以羅斯曼拓撲結構存在。這種結構同時在許多酶的催化結構域中發現，如拓撲異構酶I a,拓撲異構酶II,OLD家族核酸酶，與RecR蛋白有關的DNA修復蛋白。

比較而言，古菌和真核生物中的引發酶含有高度派生的RNA識別模式。這種引發酶在結構上和許多參與DNA複製與修復的酶相似，如：依賴於RNA的RNA聚合酶，反轉錄酶，核苷酸生成循環酶，A/B/Y家族的DNA聚合酶。所有這些蛋白質共有一個催化機制：雙向金屬離子介導的核苷酸轉移，其中在第一條鏈末端和RRM-LIKE單位的第二條鏈和第三條鏈之間分別附着着兩個酸性核酸殘基，由二價陽離子螯合。

隨着DNA合成的繼續，原始DNA鏈繼續沿複製泡兩邊解旋，形成具有兩個叉子的複製叉結構。在細菌的環形染色體上只有一個複製起點，複製過程最終形成一個θ結構。比較起來，真核生物具有較長的線性染色體，可在多個位點進行複製起始。

複製叉

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圖為複製叉。圖解：a為模板DNA；b為前進股、c為延遲股、d為複製叉、e為引子、f為岡崎片段。

複製叉（replication fork）是細胞核內DNA複製時形成的結構。這是由解旋酶創造的，解旋酶用來打斷連接兩條DNA鏈的氫鍵。複製叉有兩個由DNA單股組成的「叉子」。這兩條打開的單股將會作為領先股和延遲股的模板，領先股和延遲股將會由DNA聚合酶按鹼基互補配對原則依照模板鏈合成。模板鏈的資訊可以被嚴格地複製到領先股和延遲股上。

領先股

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合成後的領先股（英語：Leading strand）作為新DNA的模板鏈，所以複製叉沿3'向5'移動。從而使新合成的鏈與原始鏈互補，在新鏈沿着5'到3'合成DNA，這和複製叉移動的方向相同。

在領先股上，一個聚合酶不斷地「閱讀」被複製的DNA並向領先股添加核苷酸。這個聚合酶就是原核生物中的DNA聚合酶Ⅲ（DNA Pol III）；在酵母菌中，推測是聚合酶ε。在人體細胞中，領先股和延遲股在細胞核中是由聚合酶α和聚合酶δ合成，在線粒體中由聚合酶γ合成。在特殊情況下聚合酶ε可以替代聚合酶δ。

延遲股

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延遲股（英語：Lagging strand）是新DNA雙股的編碼鏈，所以複製叉沿5'向3'移動。因為它的方向性和DNA聚合酶Ⅲ從3'到5'的工作方向相反，複製過程在延遲股上比領先股更為複雜。

在延遲股上，引子酶「讀」DNA並添加數小段分開的RNA引子。在真核生物中引子酶是聚合酶α。DNA聚合酶Ⅲ或聚合酶δ延長引子片段，形成岡崎片段。之後引子的去除也由聚合酶α完成。而在原核細胞中，DNA聚合酶Ⅰ（DNA polymerase I）將RNA引子去除後再用對應的脫氧核糖核苷酸替換。最後DNA連接酶再將片段連接起來。

相關影片/影視作品

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參考文獻

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  1. ^ Sabhadiya, Amit. What Is DNA Replication And Its Steps?. 2022-03-01 [2023-08-04]. （原始內容存檔於2023-08-04） （美國英語）. 
  2. ^ GENETICS / DNA REPLICATION (BASIC) – Pathwayz. pathwayz.org. [2020-12-10]. （原始內容存檔於2021-09-24）. 
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