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DNA复制各阶段过程简介

2022.11.30

DNA复制主要包括引发、延伸、终止三个阶段。以原核生物DNA复制过程予以简要说明。

引发

DNA复制始于基因组中的特定位置(复制起点),即启动蛋白的靶标位点   。启动蛋白识别“富含AT”(富含腺嘌呤和胸腺嘧啶碱基)的序列,因为AT碱基对具有两个氢键(而不是CG对中形成的三个),因此更易于DNA双链的分离。 一旦复制起点被识别,启动蛋白就会募集其他蛋白质一起形成前复制复合物,从而解开双链DNA,形成复制叉。复制叉的形成是多种蛋白质及酶参与的较复杂的过程。这些酶包括单链DNA结合蛋白(single—stranded DNA binding protein,ssbDNA蛋白)和DNA解链酶(DNA helicase)。ssbDNA蛋白是较牢固结合在单链DNA上的蛋白质,作用是保证解旋酶解开的单链在复制完成前能保持单链结构,以四聚体的形式存在于复制叉处,等待单链复制后才脱下来,重新循环。因此,ssbDNA蛋白仅保持单链的存在,不起解旋作用。 DNA解链酶能通过水解ATP获得能量以解开双链DNA。

DNA解链过程 DNA在复制前不仅是双螺旋而且处于超螺旋状态,而超螺旋状态的存在是解链前的必须结构状态,参与解链的除解链酶外还有一些特定蛋白质,如大肠杆菌中的Dna蛋白等。一旦DNA局部双链解开,就必须有ssbDNA蛋白以稳定解开的单链,保证此局部不会恢复成双链。两条单链DNA复制的引发过程有所差异,但是不论是前导链还是后随链,都需要一段RNA引物用于开始子链DNA的合成。因此前导链与后随链的差别在于前者从复制起始点开始按5’→3’持续的合成下去,不形成冈崎片段,后者则随着复制叉的出现,不断合成长约2—3kb的冈崎片段。

延伸

多种DNA聚合酶在DNA复制过程中扮演不同的角色。在大肠杆菌中,DNA Pol III是主要负责DNA复制的聚合酶。它在复制分支上组装成复制复合体,具有极高的持续性,在整个复制周期中保持完整。相反,DNA Pol I是负责用DNA替换RNA引物的酶。 DNA Pol I除了具有聚合酶活性外,还具有5'至3'外切核酸酶活性,并利用其外切核酸酶活性降解RNA引物。 Pol I在DNA复制中的主要功能是创建许多短DNA片段,而不是产生非常长的片段。在真核生物中,Pol α有助于启动复制,因为它与引物酶形成复合物。Pol ε和Pol δ负责前导链的合成。Pol δ还负责引物的去除,而Pol ε也参与复制期间DNA的修复。

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前导链模板和滞后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滞后链。在DNA合成延伸过程中主要是DNA聚合酶Ⅲ的作用。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,同时,利用后一个冈崎片段作为引物由5'→3'合成DNA。最后两个冈崎片段由DNA连接酶将其接起来,形成完整的DNA滞后链。

终止

真核生物在染色体的多个点开始DNA复制,因此复制叉在染色体的许多点处相遇并终止。由于真核生物具有线性染色体,DNA复制无法到达染色体的最末端。由于这个问题,在染色体末端的DNA在每个复制周期中都会丢失。端粒是接近末端的重复DNA区域,有助于防止基因丢失。端粒缩短是体细胞中的正常过程,它缩短了子DNA染色体的端粒。因此,在DNA丢失阻止进一步分裂之前,细胞只能分裂一定次数。 在生殖细胞中,端粒酶延伸端粒区域的重复序列以防止降解。

DNA复制的终止发生在特定的基因位点,即复制终止位点。该位点的终止位点序列被与该序列结合的阻止DNA复制的蛋白质识别并结合,阻止了复制叉前进,复制终止。细菌物的DNA复制末端位点结合蛋白又称Ter蛋白。

因为细菌具有环状染色体,所以当两个复制叉在亲本染色体的另一端彼此相遇时复制终止发生。大肠杆菌通过使用终止序列来调节该过程,当该序列被Tus蛋白结合时,终止序列仅允许复制叉一个方向的通行。结果,复制叉总是在染色体的终止区域内相遇,导致复制终止  。



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