DNA複制的起始機制
複制子模型的提出者，弗朗索瓦·雅各布（Francois Jacob）是法國細菌遺傳學家，分子生物學奠基人之一。他最重要的貢獻是提出操縱子模型，為此榮獲1965年諾貝爾生理學或醫學獎。
弗朗索瓦·雅各布。引自諾貝爾基金會檔案雖然不同生物中的複制基因和起始蛋白等會有很大差異，但DNA複制的起始過程都符合識别複制起點-加載解旋酶-組裝複制體這個基本程序。
複制起點的識别由起始蛋白負責。細菌的起始蛋白是DnaA，含有HTH（螺旋-轉角-螺旋）DNA結合結構域和AAA +（與多種細胞活性相關的ATPase）結構域。與之相應，複制起點（oriC）中含有多個DnaA box，可以被HTH結構域識别并結合。DUE是DNA解鍊元件（DNA unwinding element），富含AT，易于打開雙螺旋結構。DnaA-trios是三聯體重複序列，可與DnaA的AAA +結構域相互作用，有助于解鍊。
細菌的複制起點識别。PLoS Genet. 2019對于DnaA與oriC相互作用的具體過程，目前有不同的模型，如two-state model與loop-back model。總之，二者的相互作用使DUE區解鍊，然後才能将解旋酶（DnaB）募集到單鍊DNA上，進入第二階段。
真核生物的起始蛋白是起點識别複合物（ORC），由6個亞基（Orc1-6）構成。此外，還有輔助因子Cdc6和Cdt1。複合物中具有類似原核起始蛋白的AAA+與WH（winged helix，有翼螺旋）結構域，後者具有DNA結合功能。
不同物種的ORC結構。Curr Opin Struct Biol. 2018真核生物的複制起點稱為自主複制序列（ARS），其中包含一個保守的ARS共識序列ACS。ORC通過AAA +域的起始蛋白特異性基序（ISM）與DNA的磷酸核糖骨架結合，WH域通過一個進入DNA大溝的β-發夾motif結合DNA。這些作用在DNA離開ORC的中央通道時使其彎曲，有助于解旋酶Mcm2-7的裝載。
ORC與真核複制起點的識别。Curr Opin Struct Biol. 2019在DNA複制過程中解開雙螺旋結構的酶稱為複制解旋酶（replicative helicase），本文中簡稱為解旋酶。它通過ATP水解提供能量，斷裂雙鍊間的氫鍵。原核生物的解旋酶是DnaB，真核生物是Mcm2-7（minichromosome maintenance protein，微染色體維持蛋白）複合物。
兩類解旋酶都由兩個六聚體環構成，DNA從環中穿過。解旋酶結合到DNA上的過程稱為加載（load）。原核生物的解旋酶是以活性形式加載的，結合在單鍊DNA上；真核解旋酶以非活性形式加載到雙鍊DNA上，要下一階段才會被激活。
原核與真核生物的解旋酶加載。Nucleus. 2016在G1期的早期，ORC将CDC6和CDT1募集到複制起點，随後加載MCM2-7，再将CDC6和CDT1從染色質中釋放出來，以防止MCM2-7重新加載，保證每個細胞周期隻複制一次。在S期， CDC45和DNA複制複合物Go-Ichi-Ni-San（GINS）與MCM2-7六聚體結合形成CDC45 / MCM2-7 / GINS（CMG）複合物，激活MCM的解旋酶活性。
真核生物中DNA複制的起始。Crit Rev Biochem Mol Biol. 2017在複制過程中需要用到很多蛋白，它們組合成一個龐大、複雜的複合體，稱為複制體。複制體的核心是解旋酶，沿着單鍊DNA（ssDNA）移動，不斷解開雙鍊。
病毒、細菌與真核生物的複制體。Biophys Rev. 2019新生的ssDNA需要與某種蛋白結合，以防重新生成雙鍊或降解等。這種蛋白在細菌中稱為單鍊DNA結合蛋白（single-stranded DNA-binding protein，SSB），在T7噬菌體中稱為基因産物2.5（gene product 2.5，gp2.5），在真核生物中稱為複制蛋白A（replication protein A，RPA）。有時也将其統稱為SSB。
除了保護ssDNA外，SSB還可以發揮重要的調控作用。例如在複制叉因意外而停滞時，RPA會被磷酸化，然後募集修複因子，從而穩定複制叉。這種機制的異常會導緻複制叉容易崩潰，增加突變率。
RPA磷酸化保護複制叉穩定性。J Cell Biol. 2014Primase是引發酶，用于合成RNA引物。T7噬菌體的引發酶是gp4，引物由2-4個核糖核苷酸組成。大腸杆菌引發酶是DnaG，合成26–29 個核苷酸的RNA引物。
真核生物的引物約9-11個核苷酸，引發酶由DNA聚合酶α（Polα）“兼任”。Polα是高度保守的異四聚體複合物，具有兩個催化活性：最小的p48亞基（Pri1）中的具有primase活性，最大的p180亞基（Pol1）具有聚合酶活性，另外兩個亞基是調節亞基。關于各種聚合酶的具體作用将在下一篇文章讨論。
增殖細胞核抗原（PCNA）最初被稱為DNA滑動夾（DNA sliding clamp），認為它的作用是提高聚合酶的效率。随後的研究表明，它可與多種分子相互作用，從而參與多種代謝途徑，包括DNA的複制與修複、DNA甲基化、染色質重塑和細胞周期調控等。
PCNA介導聚合酶轉換繞過複制障礙。Biophys Rev. 2019Langston等人提出了一種機制，解釋複制體如何繞過模闆上的障礙進行複制。在此途徑中，遇到障礙的Polε會失速并與DNA和PCNA解離，PCNA募集低保真的競争性跨障礙合成（TLS）聚合酶，從而合成跨障礙的核苷酸。同時，Polε通過與GINS相互作用保留在複制叉上，通過障礙後再替換TLS聚合酶，繼續正常複制。
參考文獻：
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