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在研究真核细胞内线粒体DNA的复制时，发现了DNA的D环复制。复制过程分为四个阶段。D环复制的特点是两条链的复制不是同步的。
1.H链首先合成：在复制起点处以L链为模板，合成─RNA引物，然后由DNA聚合酶γ催化合成一个500-600bp长的H链片段。该片段与L链以氢键结合，将亲代的H链置换出来，产生一种D环复制中间物。这个新的H链DNA片段由于分子3'端终止的位置不定而长短不一;也有一些3'端位置是固定的，而由于5'端被降解而使整个DNA片段长短不一。合成这样500-600bp长的DNA片段不会引起线粒体DNA超螺旋结构的明显改变。
2.H链片段的继续合成：上述产生的H链片段由于太短而很容易被挤出去恢复线粒体DNA完整的双螺旋结构。但有时这个片段会继续合成，这需要依靠拓扑异构酶和螺旋酶的作用将双链打开。
3.L链合成开始：以被置换下来的亲代H链为模板，离H链合成起点60%基因组的位置开始合成L链DNA，合成也需要RNA引物。
4.复制的完成：H链的合成提前完成，L链的合成随后结束。线粒体DNA合成速度相当缓慢，约每秒10个核苷酸，整个复制过程需要1个小时。刚刚合成的线粒体DNA是松弛型的，需要40分钟将其变成超螺旋型。