【原】DNA的半保留复制与复制子

DNA复制（replication）是遗传的物质基础，也是细胞分裂的前提条件，对于生物的生长和繁殖十分重要。关于DNA复制的基本机制，即半保留复制（semi-conservative replication），沃森和克里克在1953年5月就已经根据DNA的双螺旋结构提出（Nature. 1953），与其发表双螺旋模型论文仅隔一个月。

1958年，加州大学的梅塞尔森（Meselson M）和斯塔尔（Stahl FW）用重同位素15N标记大肠杆菌的亲代DNA，在轻培养基中复制后，再用密度梯度离心分离，证实了DNA的半保留复制机制。

半保留复制模型。Proc Natl Acad Sci U S A. 1958

1963年凯恩斯（John Cairns）用放射自显影技术直接观察到了复制中DNA的图像，进一步证实了半保留复制机制。大肠杆菌DNA在氚标记的胸苷中复制近两代，然后进行放射自显影，未复制部分银密度低，由一条放射链和一条非放射链组成；已复制部分有一条双链是放射的，一条双链有一半是放射的（J Mol Biol. 1963）。

这个实验同时证实了当时对大肠杆菌基因组呈环状排列的推测。因为观察到的环状染色体的DNA呈θ状，所以后来对环状DNA的半保留复制称为θ型复制。

原核生物多数采用θ型复制，但也有一些特殊的单向复制方式，如噬菌体φX174就采用滚环复制（rolling circle replication）：其DNA是环状单链分子，复制时先形成双链，再将正链切开，将5’连接在细胞膜上，从3’延长，滚动合成出新的正链。某些质粒采用滚环复制，线虫的线粒体DNA也采用这种复制方式（下图A）。

无脊椎动物线粒体DNA的复制。Enzymes. 2016

线粒体DNA（mtDNA）的复制有多种方式，取代环（D环）是较常见的一种。脊椎动物mtDNA的互补链由于其独特的碱基组成而被称为重链（H）和轻链（L），其复制起点不同（称为OH和OL）。所以两条链的复制是不对称的，重链先复制，轻链保持单链而被取代，呈D环形状。当OL露出后轻链才开始复制。

其实脊椎动物mtDNA的复制也有不同的模式，除传统的D环（也称为链取代，strand-displacement）模式外，还有中间生成RNA的RITOLS / bootlace模式和双链同时复制的链结合（strand-coupled）模式（Enzymes. 2016）。

脊椎动物线粒体DNA的复制。Enzymes. 2016

基因组中能独立进行复制的区域称为复制子（replicon）。原核生物是单复制子，即整个基因组作为一个复制单位。真核生物是多复制子，将基因组分成多个区域分别复制。这样可以加快复制速度，所以真核生物基因组虽然比原核生物大很多，但最终的复制时间仍在同一数量级。

原核与真核生物的复制起始模型。PLoS Genet. 2019

1963年，Francois Jacob和Sydney Brenner提出了复制子模型来解释DNA的复制机制。复制子模型包含两个特定的组件：起始蛋白（initiator）和复制基因（replicator）。复制基因是顺式元件，即DNA中的一段特定序列；起始蛋白是反式因子，可以识别并结合复制基因，从而启动复制过程。

复制基因中开始复制的序列称为复制起点（origin of replication）。大肠杆菌的复制起点称为oriC。从理论上说，复制起点是复制基因的一部分，不过这两个词也经常混用。

大肠杆菌复制起点结构。Front Microbiol. 2017

复制子假说得到许多研究结果的支持，也可以用来解释很多实验现象，比如质粒的不相容性：具有相同复制起点的质粒需要相同的起始蛋白，竞争会影响其正常复制。

不同生物的具体复制机制有很大差别，但大体过程相同，都是识别起点-加载解旋酶-组装复制体。下图为真核生物、细菌、古细菌（archaea）和病毒的复制起始过程。

不同生物的复制起始。Curr Opin Struct Biol. 2018

有些生物的复制还有终止点（terminus）。大肠杆菌的复制终点称为tus，含有23 bp的保守序列，由Tus蛋白与之结合，参与复制的终止。

大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的复制终止。Structure. 1997

参考文献：

1. J D WATSON, F H CRICK. Genetical implications of the structure of deoxyribonucleic acid. Nature. 1953 May 30;171(4361):964-7.

2. M Meselson, et al. THE REPLICATION OF DNA IN ESCHERICHIA COLI. Proc Natl Acad Sci U S A. 1958 Jul 15;44(7):671-82.

3. J CAIRNS. The bacterial chromosome and its manner of replication as seen by autoradiography. J Mol Biol. 1963 Mar;6:208-13.

4. G L Ciesielski, et al. Animal Mitochondrial DNA Replication. Enzymes. 2016;39:255-92.

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6. Tsutomu Katayama, et al. The DnaA Cycle in Escherichia coli: Activation, Function and Inactivation of the Initiator Protein. Front Microbiol. 2017 Dec 21;8:2496.

7. Kin Fan On, et al. A structural view of the initiators for chromosome replication. Curr Opin Struct Biol. 2018 Dec;53:131-139.

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