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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:

  1. J D WATSON,F H CRICK. Genetical implications of the structure of deoxyribonucleic acid. Nature. 1953 May 30;171(4361):964-7.

  2. 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.

  3. J CAIRNS. The bacterial chromosome and its manner of replication as seen by autoradiography. J Mol Biol. 1963 Mar;6:208-13.

  4. G L Ciesielski, et al. Animal Mitochondrial DNA Replication. Enzymes. 2016;39:255-92.

  5. Babatunde Ekundayo, et al. Origins of DNA replication. PLoS Genet. 2019 Sep 12;15(9):e1008320.

  6. Tsutomu Katayama, et al. The DnaA Cycle inEscherichia coli: Activation, Function and Inactivation of the Initiator Protein. Front Microbiol. 2017 Dec 21;8:2496.

  7. Kin Fan On, et al. A structural view of the initiators for chromosome replication. Curr Opin Struct Biol. 2018 Dec;53:131-139.

  8. R Wake, et al. A tale of two terminators: crystal structures sharpen the debate on DNA replication fork arrest mechanisms. Structure. 1997 Jan 15;5(1):1-5.

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