DNA的半保留複制與複制子
DNA複制（replication）是遺傳的物質基礎，也是細胞分裂的前提條件，對于生物的生長和繁殖十分重要。關于DNA複制的基本機制，即半保留複制（semi-conservative replication），沃森和克裡克在1953年5月就已經根據DNA的雙螺旋結構提出（Nature. 1953），與其發表雙螺旋模型論文僅隔一個月。
1958年，加州大學的梅塞爾森（Meselson M）和斯塔爾（Stahl FW）用重同位素15N标記大腸杆菌的親代DNA，在輕培養基中複制後，再用密度梯度離心分離，證實了DNA的半保留複制機制。
半保留複制模型。Proc Natl Acad Sci U S A. 1958
1963年凱恩斯（John Cairns）用放射自顯影技術直接觀察到了複制中DNA的圖像，進一步證實了半保留複制機制。大腸杆菌DNA在氚标記的胸苷中複制近兩代，然後進行放射自顯影，未複制部分銀密度低，由一條放射鍊和一條非放射鍊組成；已複制部分有一條雙鍊是放射的，一條雙鍊有一半是放射的（J Mol Biol. 1963）。
這個實驗同時證實了當時對大腸杆菌基因組呈環狀排列的推測。因為觀察到的環狀染色體的DNA呈θ狀，所以後來對環狀DNA的半保留複制稱為θ型複制。
原核生物多數采用θ型複制，但也有一些特殊的單向複制方式，如噬菌體φX174就采用滾環複制（rolling circle replication）：其DNA是環狀單鍊分子，複制時先形成雙鍊，再将正鍊切開，将5’連接在細胞膜上，從3’延長，滾動合成出新的正鍊。某些質粒采用滾環複制，線蟲的線粒體DNA也采用這種複制方式（下圖A）。
無脊椎動物線粒體DNA的複制。Enzymes. 2016
線粒體DNA（mtDNA）的複制有多種方式，取代環（D環）是較常見的一種。脊椎動物mtDNA的互補鍊由于其獨特的堿基組成而被稱為重鍊（H）和輕鍊（L），其複制起點不同（稱為OH和OL）。所以兩條鍊的複制是不對稱的，重鍊先複制，輕鍊保持單鍊而被取代，呈D環形狀。當OL露出後輕鍊才開始複制。
其實脊椎動物mtDNA的複制也有不同的模式，除傳統的D環（也稱為鍊取代，strand-displacement）模式外，還有中間生成RNA的RITOLS / bootlace模式和雙鍊同時複制的鍊結合（strand-coupled）模式（Enzymes. 2016）。
脊椎動物線粒體DNA的複制。Enzymes. 2016
基因組中能獨立進行複制的區域稱為複制子（replicon）。原核生物是單複制子，即整個基因組作為一個複制單位。真核生物是多複制子，将基因組分成多個區域分别複制。這樣可以加快複制速度，所以真核生物基因組雖然比原核生物大很多，但最終的複制時間仍在同一數量級。
原核與真核生物的複制起始模型。PLoS Genet. 2019
1963年，Francois Jacob和Sydney Brenner提出了複制子模型來解釋DNA的複制機制。複制子模型包含兩個特定的組件：起始蛋白（initiator）和複制基因（replicator）。複制基因是順式元件，即DNA中的一段特定序列；起始蛋白是反式因子，可以識别并結合複制基因，從而啟動複制過程。
複制基因中開始複制的序列稱為複制起點（origin of replication）。大腸杆菌的複制起點稱為oriC。從理論上說，複制起點是複制基因的一部分，不過這兩個詞也經常混用。
大腸杆菌複制起點結構。Front Microbiol. 2017
複制子假說得到許多研究結果的支持，也可以用來解釋很多實驗現象，比如質粒的不相容性：具有相同複制起點的質粒需要相同的起始蛋白，競争會影響其正常複制。
不同生物的具體複制機制有很大差别，但大體過程相同，都是識别起點-加載解旋酶-組裝複制體。下圖為真核生物、細菌、古細菌（archaea）和病毒的複制起始過程。
不同生物的複制起始。Curr Opin Struct Biol. 2018
有些生物的複制還有終止點（terminus）。大腸杆菌的複制終點稱為tus，含有23 bp的保守序列，由Tus蛋白與之結合，參與複制的終止。
大腸杆菌和枯草芽孢杆菌的複制終止。Structure. 1997 參考文獻：
J D WATSON,F H CRICK. Genetical implications of the structure of deoxyribonucleic acid. Nature. 1953 May 30;171(4361):964-7.
M Meselson, et al. THE REPLICATION OF DNA IN ESCHERICHIA COLI. Proc Natl Acad Sci U S A. 1958 Jul 15;44(7):671-82.
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Tsutomu Katayama, et al. The DnaA Cycle inEscherichia coli: Activation, Function and Inactivation of the Initiator Protein. Front Microbiol. 2017 Dec 21;8:2496.
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