分子生物学第 2 章第 4 节：原核生物和真核生物 DNA 复制的特点

#分子生物学 #复制 #DNA聚合酶 #调控

复制起始点（oriC）含有 3 个 13bp 的串联重复保守序列GATCTNTTNTTTT以及 4 个由 9bp 的保守序列TTATACANA组成的能结合 DnaA 的起始结合位点
原核生物 DNA 复制过程：
1. DNA 双螺旋的解旋
2. DNA 复制的引发
3. DNA 复制的延伸
4. DNA 复制的终止

参与酶	作用
DNA 解旋酶DNA helicase	利用 ATP 的能量解开双链
单链 DNA 结合蛋白single-stranded DNA binding protein，SSB	保证被解开的单链在复制完成前能保持单链结构，以四聚体形式存在于复制叉处，待单链复制完成后才离开，重新进入循环
DNA 拓扑异构酶DNA topoisomerase	消除解链造成的正超螺旋的堆积，消除阻碍解链继续进行的这种压力，使复制得以延伸

引物 primer

提供 3'-OH

引物的合成需要引发酶（一种特殊的 RNA 聚合酶），且最后需切除

在体内，引物为RNA；在体外，引物为 DNA/RNA 均可

前导链只需要一个引物，而后随链每个冈崎片段都需要一个引物
后随链的引发过程往往由引发体primosome来完成
引发体前体preprimosome（包含六种蛋白） + 引发酶primase = 引发体
引发酶是dnaG基因的产物
引发体向后随链分叉方向前进，沿途断断续续地引发生成后随链的引物
引物产生后，DNA 聚合酶 III 在引物后合成 DNA，再由 RNase H 降解 RNA 引物并由 DNA 聚合酶 I 将缺口补齐，最后， DNA 连接酶将两个冈崎片段连在一起形成子代 DNA 链

[!CAUTION]

DNA 聚合酶可以利用 dNTP 高能磷酸键的能量，无需额外提供 ATP

DNA 连接酶需要额外提供 ATP 才能完成功能

参与酶	作用
DNA 聚合酶 III	在引物后延长子链
RNase H	切除引物
DNA 聚合酶 I	补全切除引物后的子链空缺（在大肠杆菌中还具有切除引物的作用）
DNA 连接酶	连接冈崎片段

[!TIP] 符号约定：有关核酸的内容中，“bp”代表碱基对，“b”代表碱基

原核生物 DNA 聚合酶	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ
3' -> 5' 外切（校正作用）	+	+	+
5' -> 3' 外切	+（大肠杆菌中有切除 5'端引物的作用）	-	-
5' -> 3' 聚合酶活性	有，但不发挥	有，但不发挥	+

DNA 聚合酶 I
- 可被蛋白酶切成两个区域：C 端区和 N 端区
- C 端区大，又被称为 Klenow 片段，同时具有 DNA 聚合酶活性和 3' -> 5' 外切酶活性
- N 端区小，具有 5' -> 3' 外切酶活性
DNA 聚合酶Ⅱ
DNA 聚合酶Ⅲ
- 是大肠杆菌 DNA 复制中链延长反应的主导聚合酶
DNA 聚合酶Ⅳ 和 DNA 聚合酶Ⅴ
- 主要在 DNA 修复和跨损伤合成 （translesion synthesis，TLS） 过程中发挥作用

真核生物冈崎片段的切除

RNase HⅠ 切开引物

FENⅠ 蛋白（具备 5' -> 3' 外切核酸酶活性）降解 RNA 引物片段

DNA 连接酶Ⅰ 连接冈崎片段

已发现的有 15 种以上
哺乳动物细胞主要有五种：α、β、γ、δ、ε
真核细胞 DNA 聚合酶和细菌 DNA 聚合酶基本性质相同，均以 dNTP 为底物，需 $Mg^{2+}$ 激活，聚合时必须有模板链和具有 3'-OH 末端的引物链，链的延伸方向为 5' -> 3'

末端复制问题end replication problem：由于所有新 DNA 合成启动都需要一条引物，这使得线性 DNA（后随链）末端的复制成为难题
以前导链为模板的复制不存在末端复制问题
解决末端复制问题
1. 用蛋白质代替 RNA 作为每个染色体末端最后一个冈崎片段的引物
2. （多数真核细胞）利用端粒酶来延伸染色体 3' 端
端粒酶telomerase：一种特殊的酶，由蛋白质和 RNA 组成。与 DNA 聚合酶不同的是，它不需要外源 DNA 模板来指导新 dNTP 的添加。可利用自身含有的 RNA 成分作为模板将端粒序列添加到染色体 3' 端
生殖细胞、干细胞、肿瘤细胞端粒酶活性高

细胞	原核细胞	真核细胞
DNA 复制的调控	主要发生在起始阶段	1. 细胞周期水平调控 2. 染色体水平调控 3. 复制子水平调控

分子生物学 第 2 章 第 4 节：原核生物和真核生物 DNA 复制的特点