複製子

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譚峰源編撰

定義:

複製子(replicon):是DNA複製時從一個DNA複製起點開始最終由這個起點起始的複製叉完成的片段。DNA 中發生複製的獨立單位稱為複製子。每個複製子使用一次,並且在每個細胞周期中只有一次。複製子中含有複製需要的控制元件。在複製的起始位點具有原點,在複製的終止位點具有終點。說的通俗一點,就象看實物畫畫一樣,從實物的一個點開始畫,一直畫到開始的那個點結束,這樣才算完成了一幅作品。

複製子假說:

F.Jacob等在1963年提出的有關染色體複製調節機制活動的假說。他們把自主複製的單位稱複製子,例如大腸桿菌的染色體DNA,其本身是一個複製子,附加體質體也是複製子。該假說假定每個複製子有稱為複製基因的結構部分,以及稱為起始因子的產生於細胞質性物質的基因。例如,大腸桿菌的DNA生成對大腸桿菌特異的起始因子,它只作用於大腸桿菌的複製基因,從此開始複製。F因子也是如此,例如當F因子整合進入大腸桿菌染色體而成為Hfr狀態時,F因子DNA便作為大腸桿菌複製子的一部分進行複製。此外,高等生物的染色體可認為是許多複製子縱向連接而成的。在複製子學說中,假定正調節起主導作用,這與轉錄的調節中負調節起核心作用的情況是相反的。

原核生物一般來說只有一個複製起點,整個DNA都由這個起點開始的複製叉完成,所以它們的DNA是「單複製子」的。真核細胞是多個複製起點,每個起點開始各自完成一個片段最終相連完成整體複製,所以是「多複製子」的。

複製子的結構信息:

很多實驗都證明:複製是從DNA分子上的特定部位開始的,這一部位叫做複製起始點(originof replication)常用ori或o表示。細胞中的DNA複製一經開始就會連續複製下去,直至完成細胞中全部基因組DNA的複製。DNA複製從起始點開始直到終點為止,每個這樣的DNA單位稱為複製子或複製單元(replicon)。在原核細胞中,每個DNA分子只有一個複製起始點,因而只有一個複製子,而在真核生物中,DNA的複製是從許多起始點同時開始的,所以每個DNA分子上有許多個複製子。每個複製子都含有一個複製起點。原核生物的染色體和質體、真核生物的細胞器DNA都是環狀雙鏈分子,它們都是單複製子,都在一個固定的起點開始複製,複製方向大多數是雙向的,少數是單向複製。多數是對稱複製,少數是不對稱複製(一條鏈複製後才進行另一條鏈的複製)。原核基因組中只含有一個複製子,所以複製的單位就是分離的單位。細菌染色體本身就是最大的複製子。在唯一的原點起始就會引起整個基因組的複製,這個過程在每次分裂中發生一次。每個單倍體細菌都只有一個染色體,這種複製的控制稱為單拷貝。

細菌可能會在質體中含有其他的遺傳信息。質體(Plasmid)是包括獨立複製子的環狀DNA 基因組。一個質體複製子可能同基因組一起複制(單拷貝複製)或受到另一種調控。當質體的拷貝數多於細菌染色體數時,複製受多拷貝控制。每個噬菌體病毒DNA 也都含有一個複製子,能在一個感染循環中引發多次複製。所以可

能一個更好的看待原核生物複製子的方法就是改變它的定義:任何包括複製原點的DNA分子都能在細胞中自主複製。細菌和真核生物基因組在其組織形式上的一個主要區別體現在它們的複製中。每個真核生物的染色體都包括很多複製子。所以在染色體上分開的DNA 包括許多複製的單位。這就為複製的控制增加了負擔。所有處在同一個染色體上的複製子在一個細胞周期中都會被複制,雖然它們不是同時被激活的,而是在一個相當長的時期內被激活的。然而這些複製子中的每一個都必須在這一細胞周期中只被激活一次。必須有信號來區別已複製的複製子和未複製的複製子,使複製子不被多次複製。由於許多複製子都被獨立的激活,所以還需要另外的信號來證明所有的複製子已完成了複製過程。

細菌基因組是環形單個複製子:

為了正確的遺傳,一個細菌複製子需要一下功能:1、起始複製的過程。2、控制起始的頻率。3、將複製的染色體分到子細胞中去。前兩種功能都是原點來行使。分配可能是一種獨立的功能,但在原核系統中通常與鄰近原點的序列有關。真核生物的原點不行使分配的功能,它只與複製有關。

根據一個普遍的規律,含有原點的DNA序列可通過它能使與之連接的DNA複製的能力來分離。當把含有原點的DNA 克隆到無原點的分子中時,就會產生一個能夠自主複製的質體,好像原點的DNA 包括識別自主複製原點所需要的所有序列。

在細菌、酵母葉綠體和線立體中都鑒定出原點,但在高等生物中尚未鑒定。原點的共同的特點是整體A-T 含量很高。推測這可能與DNA 複製起始時解鏈需要有關。E. coli基因組的複製以雙向方式從一個原點oriC 開始。將oriC 與任意一段DNA序列連接都能使其在E. coli 複製。通過減少oriC 克隆片段大小的方法檢測出起始複製所需的序列為一個bp 的片段。原核複製子通常是環狀的——DNA 形成一個沒有游離端的閉合環狀結構。環狀結構包括細菌染色體本身、所有的質體和許多噬菌體。這種情況在線立體和葉綠體DNA 中也很常見。環狀分子的複製避免了線形分子末端無法複製的問題,但卻引起了如何結束複製的問題。

細菌染色體以一個複製單位從oriC 開始雙向複製。在oriC上形成兩個複製叉,並延伸到整個基因組(以大致相同的速度)。終止發生在不同的位置。

真核染色體含有多個複製子:

在真核細胞中,DNA複製只是細胞周期的一部分。S期是分裂間期的一部分,通常在高等真核細胞中持續數小時。真核染色體中所包含的大量DNA 分為許多複製子複製。只有很少的複製子可以在S期的任何時間複製。儘管沒有充足的證據但很可能每個複製子在S 期的特定時間被激活。第一個複製子的激活標誌著S期的開始。在接下來的幾個小時里,其餘的複製子相繼發生起始。

酵母複製子原點的分離:

每段含有複製原點的DNA 都應該能夠複製。所以儘管在真核生物中質體很罕見,但可通過合適的方法在體外構建。這種方法雖然在高等真核生物中未實現但在酵母中已經成功。釀酒酵母中的突變能通過導入野生型基因的DNA「轉化」為野生型。有些酵母的DNA片段(當環化後)能夠高效的轉化缺陷細胞。這些片段能以不整合(自主)狀態存在,即作為自主複製的質體存在。一種高頻轉化片段包含能使其在酵母中複製能力的序列。這種序列稱為自主複製序列(ARS)。ARS元件屬於複製原點;複製在ARS元件在染色體所處的位置上起始。具有ARS 功能的序列出現的頻率與複製原點出現的平均頻率大致相同。對染色體區域上的ARS元件定位發現,事實上似乎只有一部分用來起始複製。其餘ARS是沉默的,或很可能偶爾被用到。如果一些區域確實可能用不到,那麼在複製子之間可能不存在固定的終點

有關線形複製子的問題:

複製子多數沒有線形的末端:它們或者是環狀的(就像在E. coli或線立體基因組中)或者是長單位的片段(例如真核染色體中)。但有些情況下線形複製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 複製子末端合成的問題。

1、這一問題可以通過將線形複製子轉變為環狀或多分子解決,噬菌體如T4 和使用這種機制DNA 可能形成特殊的結構——例如在末端形成髮夾,使分子中沒有游離末端。

2、草履蟲(Paramecium)中線立體的線形DNA 是通過形成交聯來完成複製的。

3、有些情況下,可能複製後末端會發生變化。真核生物的染色體可能u28857 採取這種形式,複製後DNA 末端相同單位的拷貝數變化。增加或減少單位的機制不再需要從末端開始複製。

4、某些蛋白質可能會協助從線形末端的起始。幾種線形的核酸具有與5端鹼基共價結合的蛋白質。了解最清楚的例子是腺病毒(Adenovirus)DNA,噬菌體Φ29DNA和脊髓灰質炎病毒(Poliovirus) RNA。一個在線形末端起始的例子是腺病毒和噬菌體Φ29的DNA,這些DNA確實是在末端起始複製,相同的事件能獨立的發生在任一端。一條新鏈從一個末端起始合成,代替原來相同的鏈。當複製叉到達分子的另一端時,被代替的鏈被釋放。接著它被獨立的複製;這需要在分子末端一些短的互補序列形成雙鏈區。

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