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。

无论是原核生物还是真核生物，DNA的复制合成都需要DNA模板、DNA聚合酶、dNTP原料、引物和Mg2+。DNA聚合酶催化脱氧核苷酸以3′，5′-磷酸二酯键连接合成DNA，合成方向为5′→3′，合成反应可表示如下：

Watson和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）。

1958年，Meselson和Stahl通过实验研究证明：DNA的复制方式是半保留复制。他们先用以15　NH4　Cl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15　N-DNA，再改用含14　NH4　Cl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）15　N-DNA的浮力密度最高（ρ=1.80）离心形成的条带称为高密度带，靠近离心管低端；14　N-DNA的浮力密度最低（ρ=1.65）离心形成的条带称为低密度带，离离心管顶端更近；14　N/15　N-DNA离心形成的条带称为中密度带，位于两者之间。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的复制方式是半保留复制。

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，保留了亲代全部的遗传信息，保证了遗传信息传递的保守性与延续性。

二、从复制起点双向复制

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）。从一个复制起点引发复制的全部DNA序列是一个复制单位，称为复制子（replicon）。原核生物的染色体、质粒、噬菌体DNA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2-4①）。

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，所以在解链点形成分叉结构，这种结构称为复制叉（replication fork，图2-4②）。

复制叉有几种形成方式。

1.从一个复制起点启动双向解链，形成两个复制叉（图2-4②），这种方式称为双向复制（bidirectional replication）。绝大多数生物都采用这种双向复制。真核生物DNA从多个复制起点启动双向解链（图2-4①）。

2.从线性DNA两端启动相向解链，形成两个复制叉（图2-4③），例如腺病毒DNA的复制。

3.从一个复制起点启动单向解链，形成一个复制叉（图2-4④），例如质粒ColE 1的复制。

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）。分段合成的后随链片段称为冈崎片段（Okazaki fragment，图2-5）。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）。