遗传信息的复制

—、遗传信息的复制

DNA分子中不同的碱基排列顺序构成信息，通过DNA的复制不断传递给子细胞，构成遗传信息。现以原核细胞为例来说明DNA的复制过程。

（一）DNA复制的引发（priming）阶段

DNA复制开始时，DNA螺旋酶首先在复制起点处将双链DNA解开，暴露出某些特定序列以便与引发体（primosome）结合。引发体由6种蛋白与DNA单链结合所形成的引发前体（preprimosome），与引物酶（primase）组装而成。引发体识别DNA复制起点位置，形成复制叉，进而由引物酶催化合成一小段RNA引物，长短约为十多个至数十个核苷酸。RNA引物形成后，由DNA聚合酶催化将第一个脱氧核苷酸按碱基互补原则加在RNA引物3′－OH端而进入DNA链的延伸阶段。DNA复制起点双链解开后，为什么需要有RNA引物来引发DNA复制呢？这可能与减少DNA复制起始处的突变有关。因为DNA复制起始处的几个核苷酸很容易出错，因此，用RNA引物即使出现差错最后也要被DNA聚合酶切除，提高了DNA复制的准确性。

（二）DNA链的延伸

在DNA的复制过程中，DNA聚合酶起着重要作用。DNA聚合酶的特点是不能自行从头合成DNA链，而必须有一个多核苷酸链作为引物，而且DNA聚合酶只能在此引物的3′－OH端催化形成磷酸二酯键，从而逐步合成DNA链。因此，DNA链的合成是有方向性的，即从5′端→3′端方向进行。由于DNA的两条链是反向平行的，即一条链是5′→3′端，而另一条链则是3′→5′端，并且DNA聚合酶的催化作用具有方向性。所以在DNA分别以2条母链作为模板进行复制时，子链的合成方式不同。以3′→5′端方向链为模板，可以反向平行的方式顺利地按5′→3′端方向合成新的DNA链，这条链是连续合成的，称为前导链；而另一条链是不连续合成的（以5′→3′端方向链为模板），称为后随链。在后随链合成过程中，首先合成引物，然后以5′→3′方向合成较短的DNA片段（由冈崎发现，故称为“冈崎片段”）。当冈崎片段形成后，DNA聚合酶Ⅰ通过其5′→3′外切酶活性切除冈崎片段上的RNA引物，最后在DNA连接酶作用下，再将这些片段连接起来，形成完整的DNA后随链。虽然后随链的合成从总体来看是3′→5′端方向，但每个冈崎片段的合成方向仍然是5′→3′端方向，只有这样才能使合成后随链成为可能（图1－6）。

图1－6　DNA两条链的复制方式不同

DNA新生链的合成由DNA聚合酶Ⅲ所催化。在复制叉附近，形成了以两套DNA聚合酶Ⅲ全酶分子、引发体和螺旋酶构成的类似核糖体大小的复合体，称为DNA复制体（replisome）。复制体在DNA前导链模板和后随链模板上移动时便合成了连续的DNA前导链和由许多冈崎片段组成的后随链。在DNA合成延伸过程中主要是DNA聚合酶Ⅲ的作用。

（三）DNA复制的终止

现在认为在DNA上存在着复制终止位点，DNA复制将在复制终止位点处终止，目前对复制终止位点的结构和功能了解较少。真核生物的复制是由多个复制起点同时启动，当两个复制叉相遇时，一个复制单位的复制过程结束。DNA复制的最重要特点是半保留复制，即新合成的DNA双链中保留有一条母链。

真核细胞的DNA复制与原核细胞有相似性，但真核细胞的DNA聚合酶均没有5′→3′外切酶活性，现已分离了α、β、γ、δ、ε等5种DNA聚合酶，它们各自有不同的分工，并协调DNA的复制。此外，还有许多复制因子参与了复制过程。

（四）DNA复制中的误差

通常，每复制10⁹～10¹⁰个核苷酸便会出现一个错误。DNA复制误差出现的频率是10^－5～10^－4。因而，在细胞内除了碱基配对原则外，必然还有其他因子的作用，来维持DNA复制的准确性。首先，DNA聚合酶（例如，在真核细胞中DNA聚合酶δ具有明确的校正功能）本身具有校对作用，可以将不正确插入的核苷酸切除掉，重新加上正确的核苷酸。这样，每加入一个核苷酸，发生错误的机会只有10^－10～10^－8。另外，DNA合成起始时及冈崎片段合成开始时都有RNA引物。由于RNA最终也要被切除掉，这样就提高了DNA复制的准确性。因为DNA复制开始时掺入的核苷酸往往容易出错，加在RNA引物中可以被切除，不会影响DNA的准确性。

DNA的复制除了会发生误差外，还会由于外界和环境因素对其的影响发生损伤。DNA的损伤包括自发性损伤（复制错误、自发性化学变化），物理因素损伤（紫外线、电离辐射）和化学因素损伤（烷化剂、修饰剂）。DNA存储着生物体赖以生存和繁衍的遗传信息，因此维护DNA分子的完整性对细胞至关紧要。外界环境和生物体内部的因素都经常会导致DNA分子的损伤或改变。如果DNA的损伤或遗传信息的改变不能更正，对体细胞就可能影响其功能或生存，对生殖细胞则可能影响到后代。所以在进化过程中生物细胞的DNA损伤修复能力十分重要，这也是生物能保持遗传稳定性之所在。在细胞中能进行修复的生物大分子仅有DNA，反映了DNA对生命的重要性。另一方面，DNA分子的变化并不是全部都能被修复成原样的，正因为如此生物才会有变异、有进化。