复制子

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谭峰源编撰

定义:

复制子(replicon):是DNA复制时从一个DNA复制起点开始最终由这个起点起始的复制叉完成的片段。DNA 中发生复制的独立单位称为复制子。每个复制子使用一次,并且在每个细胞周期中只有一次。复制子中含有复制需要的控制元件。在复制的起始位点具有原点,在复制的终止位点具有终点。说的通俗一点,就象看实物画画一样,从实物的一个点开始画,一直画到开始的那个点结束,这样才算完成了一幅作品。

复制子假说:

F.Jacob等在1963年提出的有关染色体复制调节机制活动的假说。他们把自主复制的单位称复制子,例如大肠杆菌的染色体DNA,其本身是一个复制子,附加体质粒也是复制子。该假说假定每个复制子有称为复制基因的结构部分,以及称为起始因子的产生于细胞质性物质的基因。例如,大肠杆菌的DNA生成对大肠杆菌特异的起始因子,它只作用于大肠杆菌的复制基因,从此开始复制。F因子也是如此,例如当F因子整合进入大肠杆菌染色体而成为Hfr状态时,F因子DNA便作为大肠杆菌复制子的一部分进行复制。此外,高等生物的染色体可认为是许多复制子纵向连接而成的。在复制子学说中,假定正调节起主导作用,这与转录的调节中负调节起核心作用的情况是相反的。

原核生物一般来说只有一个复制起点,整个DNA都由这个起点开始的复制叉完成,所以它们的DNA是“单复制子”的。真核细胞是多个复制起点,每个起点开始各自完成一个片段最终相连完成整体复制,所以是“多复制子”的。

复制子的结构信息:

很多实验都证明:复制是从DNA分子上的特定部位开始的,这一部位叫做复制起始点(originof replication)常用ori或o表示。细胞中的DNA复制一经开始就会连续复制下去,直至完成细胞中全部基因组DNA的复制。DNA复制从起始点开始直到终点为止,每个这样的DNA单位称为复制子或复制单元(replicon)。在原核细胞中,每个DNA分子只有一个复制起始点,因而只有一个复制子,而在真核生物中,DNA的复制是从许多起始点同时开始的,所以每个DNA分子上有许多个复制子。每个复制子都含有一个复制起点。原核生物的染色体和质粒、真核生物的细胞器DNA都是环状双链分子,它们都是单复制子,都在一个固定的起点开始复制,复制方向大多数是双向的,少数是单向复制。多数是对称复制,少数是不对称复制(一条链复制后才进行另一条链的复制)。原核基因组中只含有一个复制子,所以复制的单位就是分离的单位。细菌染色体本身就是最大的复制子。在唯一的原点起始就会引起整个基因组的复制,这个过程在每次分裂中发生一次。每个单倍体细菌都只有一个染色体,这种复制的控制称为单拷贝。

细菌可能会在质粒中含有其他的遗传信息。质粒(Plasmid)是包括独立复制子的环状DNA 基因组。一个质粒复制子可能同基因组一起复制(单拷贝复制)或受到另一种调控。当质粒的拷贝数多于细菌染色体数时,复制受多拷贝控制。每个噬菌体病毒DNA 也都含有一个复制子,能在一个感染循环中引发多次复制。所以可

能一个更好的看待原核生物复制子的方法就是改变它的定义:任何包括复制原点的DNA分子都能在细胞中自主复制。细菌和真核生物基因组在其组织形式上的一个主要区别体现在它们的复制中。每个真核生物的染色体都包括很多复制子。所以在染色体上分开的DNA 包括许多复制的单位。这就为复制的控制增加了负担。所有处在同一个染色体上的复制子在一个细胞周期中都会被复制,虽然它们不是同时被激活的,而是在一个相当长的时期内被激活的。然而这些复制子中的每一个都必须在这一细胞周期中只被激活一次。必须有信号来区别已复制的复制子和未复制的复制子,使复制子不被多次复制。由于许多复制子都被独立的激活,所以还需要另外的信号来证明所有的复制子已完成了复制过程。

细菌基因组是环形单个复制子:

为了正确的遗传,一个细菌复制子需要一下功能:1、起始复制的过程。2、控制起始的频率。3、将复制的染色体分到子细胞中去。前两种功能都是原点来行使。分配可能是一种独立的功能,但在原核系统中通常与邻近原点的序列有关。真核生物的原点不行使分配的功能,它只与复制有关。

根据一个普遍的规律,含有原点的DNA序列可通过它能使与之连接的DNA复制的能力来分离。当把含有原点的DNA 克隆到无原点的分子中时,就会产生一个能够自主复制的质粒,好像原点的DNA 包括识别自主复制原点所需要的所有序列。

在细菌、酵母叶绿体和线立体中都鉴定出原点,但在高等生物中尚未鉴定。原点的共同的特点是整体A-T 含量很高。推测这可能与DNA 复制起始时解链需要有关。E. coli基因组的复制以双向方式从一个原点oriC 开始。将oriC 与任意一段DNA序列连接都能使其在E. coli 复制。通过减少oriC 克隆片段大小的方法检测出起始复制所需的序列为一个bp 的片段。原核复制子通常是环状的——DNA 形成一个没有游离端的闭合环状结构。环状结构包括细菌染色体本身、所有的质粒和许多噬菌体。这种情况在线立体和叶绿体DNA 中也很常见。环状分子的复制避免了线形分子末端无法复制的问题,但却引起了如何结束复制的问题。

细菌染色体以一个复制单位从oriC 开始双向复制。在oriC上形成两个复制叉,并延伸到整个基因组(以大致相同的速度)。终止发生在不同的位置。

真核染色体含有多个复制子:

在真核细胞中,DNA复制只是细胞周期的一部分。S期是分裂间期的一部分,通常在高等真核细胞中持续数小时。真核染色体中所包含的大量DNA 分为许多复制子复制。只有很少的复制子可以在S期的任何时间复制。尽管没有充足的证据但很可能每个复制子在S 期的特定时间被激活。第一个复制子的激活标志着S期的开始。在接下来的几个小时里,其余的复制子相继发生起始。

酵母复制子原点的分离:

每段含有复制原点的DNA 都应该能够复制。所以尽管在真核生物中质粒很罕见,但可通过合适的方法在体外构建。这种方法虽然在高等真核生物中未实现但在酵母中已经成功。酿酒酵母中的突变能通过导入野生型基因的DNA“转化”为野生型。有些酵母的DNA片段(当环化后)能够高效的转化缺陷细胞。这些片段能以不整合(自主)状态存在,即作为自主复制的质粒存在。一种高频转化片段包含能使其在酵母中复制能力的序列。这种序列称为自主复制序列(ARS)。ARS元件属于复制原点;复制在ARS元件在染色体所处的位置上起始。具有ARS 功能的序列出现的频率与复制原点出现的平均频率大致相同。对染色体区域上的ARS元件定位发现,事实上似乎只有一部分用来起始复制。其余ARS是沉默的,或很可能偶尔被用到。如果一些区域确实可能用不到,那么在复制子之间可能不存在固定的终点

有关线形复制子的问题:

复制子多数没有线形的末端:它们或者是环状的(就像在E. coli或线立体基因组中)或者是长单位的片段(例如真核染色体中)。但有些情况下线形复制子在真核染色体末端以单一的染色体外单位存在。所有已知的核酸聚合酶,无论是DNA还是RNA聚合酶都以5到3的方向聚合,这就造成了在线形DNA 复制子末端合成的问题。

1、这一问题可以通过将线形复制子转变为环状或多分子解决,噬菌体如T4 和使用这种机制DNA 可能形成特殊的结构——例如在末端形成发夹,使分子中没有游离末端。

2、草履虫(Paramecium)中线立体的线形DNA 是通过形成交联来完成复制的。

3、有些情况下,可能复制后末端会发生变化。真核生物的染色体可能u28857 采取这种形式,复制后DNA 末端相同单位的拷贝数变化。增加或减少单位的机制不再需要从末端开始复制。

4、某些蛋白质可能会协助从线形末端的起始。几种线形的核酸具有与5端碱基共价结合的蛋白质。了解最清楚的例子是腺病毒(Adenovirus)DNA,噬菌体Φ29DNA和脊髓灰质炎病毒(Poliovirus) RNA。一个在线形末端起始的例子是腺病毒和噬菌体Φ29的DNA,这些DNA确实是在末端起始复制,相同的事件能独立的发生在任一端。一条新链从一个末端起始合成,代替原来相同的链。当复制叉到达分子的另一端时,被代替的链被释放。接着它被独立的复制;这需要在分子末端一些短的互补序列形成双链区。

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