復(fù)制子
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譚峰源編撰
定義：
復(fù)制子（replicon）：是DNA復(fù)制時(shí)從一個(gè)DNA復(fù)制起點(diǎn)開(kāi)始最終由這個(gè)起點(diǎn)起始的復(fù)制叉完成的片段。DNA 中發(fā)生復(fù)制的獨(dú)立單位稱為復(fù)制子。每個(gè)復(fù)制子使用一次，并且在每個(gè)細(xì)胞周期中只有一次。復(fù)制子中含有復(fù)制需要的控制元件。在復(fù)制的起始位點(diǎn)具有原點(diǎn)，在復(fù)制的終止位點(diǎn)具有終點(diǎn)。說(shuō)的通俗一點(diǎn),就象看實(shí)物畫(huà)畫(huà)一樣,從實(shí)物的一個(gè)點(diǎn)開(kāi)始畫(huà),一直畫(huà)到開(kāi)始的那個(gè)點(diǎn)結(jié)束,這樣才算完成了一幅作品。
復(fù)制子假說(shuō)：
F.Jacob等在1963年提出的有關(guān)染色體復(fù)制調(diào)節(jié)機(jī)制活動(dòng)的假說(shuō)。他們把自主復(fù)制的單位稱復(fù)制子，例如大腸桿菌的染色體DNA，其本身是一個(gè)復(fù)制子，附加體和質(zhì)粒也是復(fù)制子。該假說(shuō)假定每個(gè)復(fù)制子有稱為復(fù)制基因的結(jié)構(gòu)部分，以及稱為起始因子的產(chǎn)生于細(xì)胞質(zhì)性物質(zhì)的基因。例如，大腸桿菌的DNA生成對(duì)大腸桿菌特異的起始因子，它只作用于大腸桿菌的復(fù)制基因，從此開(kāi)始復(fù)制。F因子也是如此，例如當(dāng)F因子整合進(jìn)入大腸桿菌染色體而成為Hfr狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)因子DNA便作為大腸桿菌復(fù)制子的一部分進(jìn)行復(fù)制。此外，高等生物的染色體可認(rèn)為是許多復(fù)制子縱向連接而成的。在復(fù)制子學(xué)說(shuō)中，假定正調(diào)節(jié)起主導(dǎo)作用，這與轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)中負(fù)調(diào)節(jié)起核心作用的情況是相反的。
原核生物一般來(lái)說(shuō)只有一個(gè)復(fù)制起點(diǎn)，整個(gè)DNA都由這個(gè)起點(diǎn)開(kāi)始的復(fù)制叉完成，所以它們的DNA是“單復(fù)制子”的。真核細(xì)胞是多個(gè)復(fù)制起點(diǎn)，每個(gè)起點(diǎn)開(kāi)始各自完成一個(gè)片段最終相連完成整體復(fù)制，所以是“多復(fù)制子”的。
復(fù)制子的結(jié)構(gòu)信息：
很多實(shí)驗(yàn)都證明：復(fù)制是從DNA分子上的特定部位開(kāi)始的，這一部位叫做復(fù)制起始點(diǎn)(originof replication)常用ori或o表示。細(xì)胞中的DNA復(fù)制一經(jīng)開(kāi)始就會(huì)連續(xù)復(fù)制下去，直至完成細(xì)胞中全部基因組DNA的復(fù)制。DNA復(fù)制從起始點(diǎn)開(kāi)始直到終點(diǎn)為止，每個(gè)這樣的DNA單位稱為復(fù)制子或復(fù)制單元(replicon)。在原核細(xì)胞中，每個(gè)DNA分子只有一個(gè)復(fù)制起始點(diǎn)，因而只有一個(gè)復(fù)制子，而在真核生物中，DNA的復(fù)制是從許多起始點(diǎn)同時(shí)開(kāi)始的，所以每個(gè)DNA分子上有許多個(gè)復(fù)制子。每個(gè)復(fù)制子都含有一個(gè)復(fù)制起點(diǎn)。原核生物的染色體和質(zhì)粒、真核生物的細(xì)胞器DNA都是環(huán)狀雙鏈分子，它們都是單復(fù)制子，都在一個(gè)固定的起點(diǎn)開(kāi)始復(fù)制，復(fù)制方向大多數(shù)是雙向的，少數(shù)是單向復(fù)制。多數(shù)是對(duì)稱復(fù)制，少數(shù)是不對(duì)稱復(fù)制（一條鏈復(fù)制后才進(jìn)行另一條鏈的復(fù)制）。原核基因組中只含有一個(gè)復(fù)制子，所以復(fù)制的單位就是分離的單位。細(xì)菌染色體本身就是最大的復(fù)制子。在唯一的原點(diǎn)起始就會(huì)引起整個(gè)基因組的復(fù)制，這個(gè)過(guò)程在每次分裂中發(fā)生一次。每個(gè)單倍體細(xì)菌都只有一個(gè)染色體，這種復(fù)制的控制稱為單拷貝。
細(xì)菌可能會(huì)在質(zhì)粒中含有其他的遺傳信息。質(zhì)粒(Plasmid)是包括獨(dú)立復(fù)制子的環(huán)狀DNA 基因組。一個(gè)質(zhì)粒復(fù)制子可能同基因組一起復(fù)制(單拷貝復(fù)制)或受到另一種調(diào)控。當(dāng)質(zhì)粒的拷貝數(shù)多于細(xì)菌染色體數(shù)時(shí)，復(fù)制受多拷貝控制。每個(gè)噬菌體或病毒DNA 也都含有一個(gè)復(fù)制子，能在一個(gè)感染循環(huán)中引發(fā)多次復(fù)制。所以可
能一個(gè)更好的看待原核生物復(fù)制子的方法就是改變它的定義：任何包括復(fù)制原點(diǎn)的DNA分子都能在細(xì)胞中自主復(fù)制。細(xì)菌和真核生物基因組在其組織形式上的一個(gè)主要區(qū)別體現(xiàn)在它們的復(fù)制中。每個(gè)真核生物的染色體都包括很多復(fù)制子。所以在染色體上分開(kāi)的DNA 包括許多復(fù)制的單位。這就為復(fù)制的控制增加了負(fù)擔(dān)。所有處在同一個(gè)染色體上的復(fù)制子在一個(gè)細(xì)胞周期中都會(huì)被復(fù)制，雖然它們不是同時(shí)被激活的，而是在一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)被激活的。然而這些復(fù)制子中的每一個(gè)都必須在這一細(xì)胞周期中只被激活一次。必須有信號(hào)來(lái)區(qū)別已復(fù)制的復(fù)制子和未復(fù)制的復(fù)制子，使復(fù)制子不被多次復(fù)制。由于許多復(fù)制子都被獨(dú)立的激活，所以還需要另外的信號(hào)來(lái)證明所有的復(fù)制子已完成了復(fù)制過(guò)程。
細(xì)菌基因組是環(huán)形單個(gè)復(fù)制子：
為了正確的遺傳，一個(gè)細(xì)菌復(fù)制子需要一下功能：1、起始復(fù)制的過(guò)程。2、控制起始的頻率。3、將復(fù)制的染色體分到子細(xì)胞中去。前兩種功能都是原點(diǎn)來(lái)行使。分配可能是一種獨(dú)立的功能，但在原核系統(tǒng)中通常與鄰近原點(diǎn)的序列有關(guān)。真核生物的原點(diǎn)不行使分配的功能，它只與復(fù)制有關(guān)。
根據(jù)一個(gè)普遍的規(guī)律，含有原點(diǎn)的DNA序列可通過(guò)它能使與之連接的DNA復(fù)制的能力來(lái)分離。當(dāng)把含有原點(diǎn)的DNA 克隆到無(wú)原點(diǎn)的分子中時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)能夠自主復(fù)制的質(zhì)粒，好像原點(diǎn)的DNA 包括識(shí)別自主復(fù)制原點(diǎn)所需要的所有序列。
在細(xì)菌、酵母、葉綠體和線立體中都鑒定出原點(diǎn)，但在高等生物中尚未鑒定。原點(diǎn)的共同的特點(diǎn)是整體A-T 含量很高。推測(cè)這可能與DNA 復(fù)制起始時(shí)解鏈需要有關(guān)。E. coli基因組的復(fù)制以雙向方式從一個(gè)原點(diǎn)oriC 開(kāi)始。將oriC 與任意一段DNA序列連接都能使其在E. coli 復(fù)制。通過(guò)減少oriC 克隆片段大小的方法檢測(cè)出起始復(fù)制所需的序列為一個(gè)bp 的片段。原核復(fù)制子通常是環(huán)狀的——DNA 形成一個(gè)沒(méi)有游離端的閉合環(huán)狀結(jié)構(gòu)。環(huán)狀結(jié)構(gòu)包括細(xì)菌染色體本身、所有的質(zhì)粒和許多噬菌體。這種情況在線立體和葉綠體DNA 中也很常見(jiàn)。環(huán)狀分子的復(fù)制避免了線形分子末端無(wú)法復(fù)制的問(wèn)題，但卻引起了如何結(jié)束復(fù)制的問(wèn)題。
細(xì)菌染色體以一個(gè)復(fù)制單位從oriC 開(kāi)始雙向復(fù)制。在oriC上形成兩個(gè)復(fù)制叉，并延伸到整個(gè)基因組(以大致相同的速度)。終止發(fā)生在不同的位置。
真核染色體含有多個(gè)復(fù)制子：
在真核細(xì)胞中，DNA復(fù)制只是細(xì)胞周期的一部分。S期是分裂間期的一部分，通常在高等真核細(xì)胞中持續(xù)數(shù)小時(shí)。真核染色體中所包含的大量DNA 分為許多復(fù)制子復(fù)制。只有很少的復(fù)制子可以在S期的任何時(shí)間復(fù)制。盡管沒(méi)有充足的證據(jù)但很可能每個(gè)復(fù)制子在S 期的特定時(shí)間被激活。第一個(gè)復(fù)制子的激活標(biāo)志著S期的開(kāi)始。在接下來(lái)的幾個(gè)小時(shí)里，其余的復(fù)制子相繼發(fā)生起始。
酵母復(fù)制子原點(diǎn)的分離：
每段含有復(fù)制原點(diǎn)的DNA 都應(yīng)該能夠復(fù)制。所以盡管在真核生物中質(zhì)粒很罕見(jiàn)，但可通過(guò)合適的方法在體外構(gòu)建。這種方法雖然在高等真核生物中未實(shí)現(xiàn)但在酵母中已經(jīng)成功。釀酒酵母中的突變能通過(guò)導(dǎo)入野生型基因的DNA“轉(zhuǎn)化”為野生型。有些酵母的DNA片段(當(dāng)環(huán)化后)能夠高效的轉(zhuǎn)化缺陷細(xì)胞。這些片段能以不整合(自主)狀態(tài)存在，即作為自主復(fù)制的質(zhì)粒存在。一種高頻轉(zhuǎn)化片段包含能使其在酵母中復(fù)制能力的序列。這種序列稱為自主復(fù)制序列(ARS)。ARS元件屬于復(fù)制原點(diǎn)；復(fù)制在ARS元件在染色體所處的位置上起始。具有ARS 功能的序列出現(xiàn)的頻率與復(fù)制原點(diǎn)出現(xiàn)的平均頻率大致相同。對(duì)染色體區(qū)域上的ARS元件定位發(fā)現(xiàn)，事實(shí)上似乎只有一部分用來(lái)起始復(fù)制。其余ARS是沉默的，或很可能偶爾被用到。如果一些區(qū)域確實(shí)可能用不到，那么在復(fù)制子之間可能不存在固定的終點(diǎn)
有關(guān)線形復(fù)制子的問(wèn)題：
復(fù)制子多數(shù)沒(méi)有線形的末端：它們或者是環(huán)狀的(就像在E. coli或線立體基因組中)或者是長(zhǎng)單位的片段(例如真核染色體中)。但有些情況下線形復(fù)制子在真核染色體末端以單一的染色體外單位存在。所有已知的核酸聚合酶，無(wú)論是DNA還是RNA聚合酶都以5到3的方向聚合，這就造成了在線形DNA 復(fù)制子末端合成的問(wèn)題。
1、這一問(wèn)題可以通過(guò)將線形復(fù)制子轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)狀或多分子解決，噬菌體如T4 和使用這種機(jī)制DNA 可能形成特殊的結(jié)構(gòu)——例如在末端形成發(fā)夾，使分子中沒(méi)有游離末端。
2、草履蟲(chóng)(Paramecium)中線立體的線形DNA 是通過(guò)形成交聯(lián)來(lái)完成復(fù)制的。
3、有些情況下，可能復(fù)制后末端會(huì)發(fā)生變化。真核生物的染色體可能u28857 采取這種形式，復(fù)制后DNA 末端相同單位的拷貝數(shù)變化。增加或減少單位的機(jī)制不再需要從末端開(kāi)始復(fù)制。
4、某些蛋白質(zhì)可能會(huì)協(xié)助從線形末端的起始。幾種線形的核酸具有與5端堿基共價(jià)結(jié)合的蛋白質(zhì)。了解最清楚的例子是腺病毒(Adenovirus)DNA，噬菌體Φ29DNA和脊髓灰質(zhì)炎病毒(Poliovirus) RNA。一個(gè)在線形末端起始的例子是腺病毒和噬菌體Φ29的DNA，這些DNA確實(shí)是在末端起始復(fù)制，相同的事件能獨(dú)立的發(fā)生在任一端。一條新鏈從一個(gè)末端起始合成，代替原來(lái)相同的鏈。當(dāng)復(fù)制叉到達(dá)分子的另一端時(shí)，被代替的鏈被釋放。接著它被獨(dú)立的復(fù)制；這需要在分子末端一些短的互補(bǔ)序列形成雙鏈區(qū)。
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