| DNA是遺傳信息的載體，故親代DNA必須以自身分子為模板準確的復制成兩個拷貝，并分配到兩個子細胞中去，完成其遺傳信息載體的使命。而DNA的雙鏈結構對于維持這類遺傳物質的穩(wěn)定性和復制的準確性都是極為重要的。 （一）DNA的半保留復制
Waston和Click在提出DNA雙螺旋結構模型時曾就DNA復制過程進行過研究，他們推測，DNA在復制過程中堿基間的氫鍵首先斷裂，雙螺旋解旋分開，每條鏈分別作模板合成新鏈，每個子代DNA的一條鏈來自親代，另一條則是新合成的，故稱之為半保留式復制(semiconservative replication)。 1958年Meselson和Stahl進行了如圖8-3-5的實驗證明了DNA分子是以半保留方式進行自我復制的。 圖8-3-5 Meselson和Stahl證明DNA半保留復制的實驗 （二）DNA復制的起始，方向和速度
DNA在復制時，雙鏈DNA解旋成兩股分別進行。其復制過程的復制起點呈現叉子的形式，故稱復制叉。以復制叉向前移動的方向為標準，一條模板鏈為3’—〉5’走向，在其上DNA能以5’—〉3’方向連續(xù)合成，稱為前導鏈(leading strand)；另一條模板鏈為5’—〉3’走向，在其上DNA也是5’—〉3’方向合成，但與復制叉移動的方向正好相反，故隨著復制叉的移動形成許多不連續(xù)的岡崎片段，最后在連成一條完整的DNA鏈，該鏈稱為后隨鏈(lagging strand)。實驗證明DNA的復制是由一個固定的起始點開始的。一般把生物體的單個復制單位稱為復制子。一個復制子只含一個復制起點。一般說，細菌，病毒即線粒體DNA分子均作為單個復制子完成其復制，真核生物基因組可以同時在多個復制起點上進行雙向復制，即它們的基因組包括多個復制子。多方面的實驗結果表明，大多數生物內DNA的復制都是從固定的起始點以雙向等速方式進行的。復制叉以DNA分子上某一特定順序為起始點，向兩個方向等速生長前進。 圖8-3-6 DNA復制過程 DNA復制過程 （三）DNA復制過程
以原核生物DNA復制過程予以簡要說明 1．DNA雙螺旋的解旋
DNA在復制時，其雙鏈首先解開，形成復制叉，而復制叉的形成則是由多種蛋白質及酶參與的較復雜的復制過程
（1）單鏈DNA結合蛋白（single—stranded DNA binding protein, ssbDNA蛋白）
ssbDNA蛋白是較牢固的結合在單鏈DNA上的蛋白質。原核生物ssbDNA蛋白與DNA結合時表現出協同效應：若第1個ssbDNA蛋白結合到DNA上去能力為1，第2個的結合能力可高達103；真核生物細胞中的ssbDNA蛋白與單鏈DNA結合時則不表現上述效應。ssbDNA蛋白的作用是保證解旋酶解開的單鏈在復制完成前能保持單鏈結構，它以四聚體的形式存在于復制叉處，待單鏈復制后才脫下來，重新循環(huán)。所以，ssbDNA蛋白只保持單鏈的存在，不起解旋作用。
（2）DNA解鏈酶（DNA helicase）
DNA解鏈酶能通過水解ATP獲得能量以解開雙鏈DNA。這種解鏈酶分解ATP的活性依賴于單鏈DNA的存在。如果雙鏈DNA中有單鏈末端或切口，則DNA解鏈酶可以首先結合在這一部分，然后逐步向雙鏈方向移動。復制時，大部分DNA解旋酶可沿滯后模板的5’—〉3’方向并隨著復制叉的前進而移動，只有個別解旋酶（Rep蛋白）是沿著3’—〉5’方向移動的。故推測Rep蛋白和特定DNA解鏈酶是分別在DNA的兩條母鏈上協同作用以解開雙鏈DNA。
（3）DNA解鏈過程
DNA在復制前不僅是雙螺旋而且處于超螺旋狀態(tài)，而超螺旋狀態(tài)的存在是解鏈前的必須結構狀態(tài)，參與解鏈的除解鏈酶外還有一些特定蛋白質，如大腸桿菌中的Dna蛋白等。一旦DNA局部雙鏈解開，就必須有ssbDNA蛋白以穩(wěn)定解開的單鏈，保證此局部不會恢復成雙鏈。兩條單鏈DNA復制的引發(fā)過程有所差異，但是不論是前導鏈還是后隨鏈，都需要一段RNA引物用于開始子鏈DNA的合成。因此前導鏈與后隨鏈的差別在于前者從復制起始點開始按5’—3’持續(xù)的合成下去，不形成岡崎片段，后者則隨著復制叉的出現，不斷合成長約2—3kb的岡崎片段。 2．岡崎片段與半不連續(xù)復制
因DNA的兩條鏈是反向平行的，故在復制叉附近解開的DNA鏈，一條是5’—〉3’方向，另一條是3’—〉5’方向，兩個模板極性不同。所有已知DNA聚合酶合成方向均是5’—〉3’方向，不是3’—〉5’方向，因而無法解釋DNA的兩條鏈同時進行復制的問題。為解釋DNA兩條鏈各自模板合成子鏈等速復制現象，日本學者岡崎（Okazaki）等人提出了DNA的半連續(xù)復制（semidiscontinuous replication）模型。1968年岡崎用3H脫氧胸苷短時間標記大腸桿菌，提取DNA，變性后用超離心方法得到了許多3H標記的，被后人稱作岡崎片段的DNA。延長標記時間后，岡崎片段可轉變?yōu)槌墒霥NA鏈，因此這些片段必然是復制過程中的中間產物。另一個實驗也證明DNA復制過程中首先合成較小的片段，即用DNA連接酶溫度敏感突變株進行試驗，在連接酶不起作用的溫度下，便有大量小DNA片段積累，表明DNA復制過程中至少有一條鏈首先合成較短的片段，然后再由連接酶鏈成大分子DNA。一般說，原核生物的岡崎片段比真核生物的長。深入研究還證明，前導鏈的連續(xù)復制和滯后鏈的不連續(xù)復制在生物界具有普遍性，故稱為DNA雙螺旋的半不連續(xù)復制。 3．復制的引發(fā)和終止
所有的DNA的復制都是從一個固定的起始點開始的，而DNA聚合酶只能延長已存在的DNA鏈，不能從頭合成DNA鏈，新DNA的復制是如何形成的？經大量實驗研究證明，DNA復制時，往往先由RNA聚合酶在DNA模板上合成一段RNA引物，再由聚合酶從RNA引物3’端開始合成新的DNA鏈。對于前導鏈來說，這一引發(fā)過程比較簡單，只要有一段RNA引物，DNA聚合酶就能以此為起點，一直合成下去。對于后隨鏈，引發(fā)過程較為復雜，需要多種蛋白質和酶參與。后隨鏈的引發(fā)過程由引發(fā)體來完成。引發(fā)體由6種蛋白質構成，預引體或引體前體把這6種蛋白質結合在一起并和引發(fā)酶或引物過程酶進一步組裝形成引發(fā)體。引發(fā)體似火車頭一樣在后隨鏈分叉的方向前進，并在模板上斷斷續(xù)續(xù)的引發(fā)生成滯后鏈的引物RNA短鏈，再由DNA聚合酶 III 作用合成DNA，直至遇到下一個引物或岡崎片段為止。由RNA酶H降解RNA引物并由DNA聚合酶 I 將缺口補齊，再由DNA連接酶將每兩個岡崎片段連在一起形成大分子DNA.。 （四）端粒和端粒酶
1941年美籍印度人麥克林托克（Mc Clintock）就提出了端粒(telomere)的假說，認為染色體末端必然存在一種特殊結構——端粒?，F在已知染色體端粒的作用至少有二：① 保護染色體末端免受損傷，使染色體保持穩(wěn)定；② 與核纖層相連，使染色體得以定位。
在弄清楚DNA復制過程之后，20世紀70年代科學家對DNA復制時新鏈5’端的RNA引物被切除后，空缺是如何被填補的提出了質疑。如不填補豈不是DNA每復制一次就短一點。以后隨鏈復制為例，當RNA引物被切除后，岡崎片段之間是由DNA聚合酶 I 催化合成的DNA填補之，然后再由DNA連接酶將它們連接成一條完整的鏈。但是DNA聚合酶 I 催化合成DNA時，需要自由3’—OH作為引物，最后余下子鏈的5’無法填補，于是染色體就短了一點。 在正常體細胞中普遍存在著染色體酶復制一次端粒就短一次的現象。人們推測，可能一旦端粒縮短到某一閾限長度一下時，他們就會發(fā)出一個警報，指令細胞進入衰老；或許是當細胞判斷出它們的染色體已變得太短了，于是分裂也就停止了，造成正常體細胞壽命有一定界限。但是在癌細胞中染色體端粒卻一直維持在一定長度上，這是為什么？這是因為DNA復制后 ，把染色體末端短缺部分補上需要端粒酶，這是一種含有RNA的酶，它既解決了模板，又解決了引物的問題。在生殖細胞和85%癌細胞中都測出了端粒酶具有活性，但是在正常體細胞中卻無活性，20世紀90年代中期，Blackburn首次在原生動物中克隆出端粒酶基因。 端粒酶在癌細胞中具有活性，它不僅使癌細胞可以不斷分裂增生，而且它為癌變前的細胞或已經是癌性的細胞提供了時間，以積累附加的突變，即等于增加它們復制，侵入和最終轉移的能力。同時人們也由此萌生了開發(fā)以端粒為靶的藥物，即通過抑制癌細胞中端粒酶活性而達到治療癌癥的目的。 至于真核細胞DNA末端的結構特點，早就在1978年Blackburn就以原生動物四膜出（一種纖毛蟲）為例說明之：① 迥紋形式的發(fā)夾環(huán)；② 僅由C,A組成的簡單序列大量重復（C4A2）20~70；③ 鏈上有許多缺口（nicks）。
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