DNA復制準確性的機制

李守宇

(江蘇省宜興第一中學 214206)

DNA復制采取半保留的方式，整個過程錯綜復雜。DNA復制的準確性是物種保持穩(wěn)定性的需要，當復制發(fā)生錯誤時可能導致突變或致死。生物體靠什么來保證DNA復制的準確性呢？

1 DNA聚合酶的選擇和識別作用

DNA聚合酶的動力學研究表明，體外由DNA聚合酶催化的DNA合成過程的準確性比單純依靠堿基互補配對提高了3～5個數(shù)量級。在DNA復制過程中，DNA聚合酶與模板的結合可以引起構象的改變，從而使DNA聚合酶對正確與錯誤核苷酸的親和力以及把它們摻入引物末端的速度產(chǎn)生差異,因此DNA聚合酶能夠根據(jù)模板的脫氧核苷酸，選擇正確的dNTP摻入引物末端，錯誤的堿基不能進行聚合反應。另外，新生鏈的引物末端也影響DNA聚合酶的識別過程。只有引物3′-OH末端正確時, DNA聚合酶才能起作用。引物末端不正確, 即使與模板的下一個核苷酸互補也不能與聚合酶發(fā)生相互作用。這是因為DNA聚合酶的識別是一種有序的過程，即先識別模板和引物的3′末端,再識別底物。這樣，通過DNA聚合酶對堿基的選擇和對底物的識別作用，保證了新合成的鏈嚴格按照模板鏈的互補堿基順序進行聚合[1]。

2 DNA聚合酶的校正作用

通過對高度純化的大腸桿菌 DNA 聚合酶性質(zhì)的詳細研究，表明 DNA 聚合酶具有三種不同的酶活性, 其中一個重要功能便是3′→ 5′外切酶活性。它能檢測和糾正DNA聚合酶在3′末端造成的偶然錯配的堿基，稱為校對。在正常聚合條件下, 3′→ 5′外切酶活力受到抑制,若一旦出現(xiàn)錯配堿基對, 聚合反應立即停止, 3′→ 5′外切酶活性迅速除去錯誤進入的核苷酸,然后聚合反應才得以繼續(xù)進行下去。所以當復制叉沿模板鏈移動時, 所加入的每個脫氧核苷酸都將受到嚴格檢查[2]。DNA聚合酶的3′→ 5′外切酶活性對DNA復制的準確性極為重要，可以使DNA復制的準確性提高1～2個數(shù)量級。

3 DNA合成原料(dNTP)的平衡供應

DNA 合成需要4種脫氧核苷三磷酸(dNTP)為原料，細胞內(nèi)各種dNTP合適比率的保持是正常生長所必需的。任何一種dNTP的缺乏都是致死的, 而當某一種dNTP濃度升高時, 增加了dNTP與DNA聚合酶的結合，使引物3′端遠離3′→ 5′外切酶活性位點，在提高了其錯誤摻入新生DNA 鏈中可能性的同時又有效逃避了3′→ 5′外切酶活性的校正。

4 RNA引物的合成與切除是提高DNA復制準確性的重要因素

需要RNA 引物是DNA 復制的基本特點之一。這與DNA 聚合酶的結構與功能的特點密切相關。DNA 聚合酶不具有從頭合成DNA 新鏈的能力，而只能將單個的脫氧核苷酸結合到已有的引物鏈末端。RNA聚合酶能引發(fā)新鏈從頭合成是因為它沒有校對功能，因此它們的出錯率比DNA聚合酶明顯提高, 這樣就產(chǎn)生了一個巧妙的解決辦法，即DNA復制時,先由引物酶(RNA聚合酶)合成RNA引物, 供DNA聚合酶合成DNA新鏈, 這些短的引物在完成功能后隨即為DNA聚合酶Ⅰ所切除,代之以高保真的核苷酸序列。因此，RNA引物的使用可消除錯誤的來源, 有效地提高DNA 復制的準確性，具有明顯的進化優(yōu)勢。

5 DNA復制后錯配堿基的進一步修正

在DNA復制過程中，DNA 聚合酶不能很有效地區(qū)別dUTP 和dTTP，即使dUTP濃度水平很低, 新合成的DNA中依然會有少量的dUTP摻入，而且胞嘧啶(C)脫氨基后也會轉變?yōu)槟蜞奏?U)。對于DNA鏈上出現(xiàn)的這些U, 能被尿嘧啶-N-糖基化酶有效地切除，然后通過核苷酸的切除修復而被T 取代。

另外，DNA 復制過程中產(chǎn)生的錯配堿基還可通過錯配修復系統(tǒng)加以糾正。在大腸桿菌中存在一種甲基指導修復系統(tǒng)，若錯誤摻入的核苷酸在聚合反應中未被校正，則可通過該系統(tǒng)進行修復。DNA鏈上核苷酸的甲基化可保護該DNA鏈免受限制酶的攻擊，復制時合成的DNA新鏈暫時未被甲基化酶所修飾，而模板鏈已甲基化，當發(fā)生堿基錯配時，限制酶可由甲基指導選擇性地識別DNA新鏈上的錯配堿基進行修復，以提高復制的準確性[2]。