点击显示 收起
为了保证遗传的稳定性，在每次细胞分裂之前，遗传信息载体必须精确地复制自己。过去的概念认为遗传信息的载体就是DNA，现在发现许多病毒的遗传信息载体是RNA而不是DNA。因此，本章除了对DNA的复制作详细的论述外，对RNA的复制也加以阐述，以期对遗传信息的复制有个全面的了解。1953年，Watson和Crick在提出DNA双螺旋模型时就指出，由于互补碱基的配对原则，在DNA复制时，只要双链DNA解开，以每一条链为模板以合成其互补链，即可形成两个与亲代完全一样的DNA分子。DNA复制的基本过程正如Watson和Crick所预测的那样，但是在DNA复制中涉及了许多细胞成分。DNA的复制过程大体上可以分为复制的启动，复制的延伸，和复制的终止三个阶段。
DNA复制的基本机理
DNA由两条螺旋的多核苷酸链组成，两条链的碱基通过A:T和G:C之间的氢键联结在一起。在复制过程中首先两条链间的氢键破裂并使双链解旋和分开，然后以每条链为模板，按碱基互补配对原则(A:T，G:C)，由DNA聚合酶催化合成新的互补链，结果由一条链成为互补的两条链，这样新形成的两个DNA分子与原来的DNA分子的碱基序列完全相同。在此过程中，每个子代DNA的一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的。这种复制方式称此过程中，每个子代DNA的一条链来自亲代的DNA，另一条链则是新合成的。这种复制方式称为半保留复制(semi conservation replication)。
1958年Meselson和Stahl的实验首次有力地支持了半保留复制方式。他们先将大肠杆菌放在15NH4C1培养基中生长15代，使几乎所有的DNA都被15N标记后，再将细菌移到只含有14NH4C1的培养基中培养。随后，在不同的时间取出样品，用十二烷硫酸钠(SDS)裂解细胞后，将裂解液放在CsC1溶液中进行密度梯度离心(140000g，20小时)。离心结束后，从管底到管口，溶液密度分布从高到低形成密度梯度。DNA分子就停留在与其相当的CsC1密度处，在紫外光下可以看到形成的区带。14N-DNA分子密度较轻(1.7g/cm3)，停留在离管口这较近的位置;15N-DNA密度较大停留在较低的位置上。当含有15N-DNA的细胞在14NH4C1培养液中培养一代后，只有一条区带介于14N-DNA与15N-DNA之间，这时在15N-DNA区已没有吸收带，说明这时的DNA一条链来自15N-DNA，另一条链为新合成的含有14N的新链。培养两代后则在14N-DNA区又出现一条带。在14NH4C1中培养的时间愈久，14N-DNA区带愈强，而14N-15NDNA区带逐渐减弱，但始终未出现其他新的区带。按照半保留复制方式培养两代，只能出现14N-15NDNA两种分子，而且随着代数的增加14N-DNA逐渐增加。Meselson和Stahl的实验完全证实了保留复制的设想。
复制起点和复制子
DNA复制在生物细胞中要从DNA分子上特定位置开始。这个特定的位置就称为复制起点(Origin of replication)，用ori表示。DNA复制从起点开始双向进行直到终点为止，每一个这样的DNA单位称为复制子或复制单元(replicon)。在原核生物中，每个DNA分子上就有一个复制子;而在真核生物中，每个DNA分子有许多个复制子，每个复制子长约50-200kb。因此，真核细胞DNA的复制是由许多个复制子共同完成的。既然DNA复制不是随机的从DNA分子上的任何一点起始，而是从特定的区域开始，这说明复制起点有其结构上的特殊性。分子遗传学者们利用分子克隆技术，分离出大肠杆菌染色体DNA复制起点oriC。它由422bp的DNA片段组成，其核苷酸序列已经搞清。其结构特点该为(1)在oriC区域内有一系列对称排列的反向重复序列，即回文结构(palindrome)，这表明区域与复制酶系统的识别有关(2)在oriC区中还有两个转录启动区(启动子)的核苷酸序列，这暗示了转录可能在大肠杆菌染色体DNA复制起始着重的作用。目前已有许多实验表明转录确实是复制的起始所必需的，但具体的作用机制尚不清楚。
近年来，分子遗传学又克隆分析沙门氏杆菌(Salmonellatypbimurinm)，产气肠杆菌(Erterobacteraerogers)，肺炎克氏杆菌(Klebsiellapneumnonia)等许多细菌的ori区，发现它们在结构上相似，在核苷酸序列上有相当的保守性，而且在分类关系上愈是接近的细菌之间其同源性愈高，这些反映了DNA复制起点的重要性。
DNA复制的特点
DNA复制的最主要特点是半保留复制，另外，它还是半不连续复制(Semi-ondisctinuous replication)。DNA双螺旋的两条链是反向平行的，因此，在复制起点处两条DNA链解开成单链时，一条是5'→3'方向，另一条是3'→5'方向。以这两条链为模板时，新生链延伸方向一条为3'→5'，另一条为5'→3'。但生物细胞内所有催化DNA聚合酶都只能催化5'→3'延伸，这是一个矛盾。冈崎片段(Okaxaki fragments)的发现使这个矛盾得以解决。在复制起点两条链解开形成复制泡(replication bubbles)，DNA向两侧复制形成两个复制叉(replication forks)。以复制叉移动的方向为基准，一条模板链是3'→5'，以此为模板而进行的新生DNA链的合成沿5'→3'方向连续进行，这条链称为前导链(leading strand)。另一条模板链的方向为5'→'3'，以此为模板的DNA合成也是沿5'→3'方向进行，但与复制叉前进的方向相反，而且是分段，不连续合成的，这条链称为滞后链(lagging strand)，合成的片段即为冈崎片段。这些冈崎片段以后由DNA连接酶连成完整的DNA链。这种前导链的连续复制和滞后链的不连续复制在生物是普遍存在的，称为DNA合成的半不连续复制。