DNA復(fù)制準(zhǔn)確性的機(jī)制

李守宇

(江蘇省宜興第一中學(xué) 214206)

DNA復(fù)制采取半保留的方式，整個(gè)過(guò)程錯(cuò)綜復(fù)雜。DNA復(fù)制的準(zhǔn)確性是物種保持穩(wěn)定性的需要，當(dāng)復(fù)制發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)可能導(dǎo)致突變或致死。生物體靠什么來(lái)保證DNA復(fù)制的準(zhǔn)確性呢？

1 DNA聚合酶的選擇和識(shí)別作用

DNA聚合酶的動(dòng)力學(xué)研究表明，體外由DNA聚合酶催化的DNA合成過(guò)程的準(zhǔn)確性比單純依靠堿基互補(bǔ)配對(duì)提高了3～5個(gè)數(shù)量級(jí)。在DNA復(fù)制過(guò)程中，DNA聚合酶與模板的結(jié)合可以引起構(gòu)象的改變，從而使DNA聚合酶對(duì)正確與錯(cuò)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(cuò)誤的堿基不能進(jìn)行聚合反應(yīng)。另外，新生鏈的引物末端也影響DNA聚合酶的識(shí)別過(guò)程。只有引物3′-OH末端正確時(shí), 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(gè)核苷酸互補(bǔ)也不能與聚合酶發(fā)生相互作用。這是因?yàn)镈NA聚合酶的識(shí)別是一種有序的過(guò)程，即先識(shí)別模板和引物的3′末端,再識(shí)別底物。這樣，通過(guò)DNA聚合酶對(duì)堿基的選擇和對(duì)底物的識(shí)別作用，保證了新合成的鏈嚴(yán)格按照模板鏈的互補(bǔ)堿基順序進(jìn)行聚合[1]。

2 DNA聚合酶的校正作用

通過(guò)對(duì)高度純化的大腸桿菌 DNA 聚合酶性質(zhì)的詳細(xì)研究，表明 DNA 聚合酶具有三種不同的酶活性, 其中一個(gè)重要功能便是3′→ 5′外切酶活性。它能檢測(cè)和糾正DNA聚合酶在3′末端造成的偶然錯(cuò)配的堿基，稱(chēng)為校對(duì)。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(cuò)配堿基對(duì), 聚合反應(yīng)立即停止, 3′→ 5′外切酶活性迅速除去錯(cuò)誤進(jìn)入的核苷酸,然后聚合反應(yīng)才得以繼續(xù)進(jìn)行下去。所以當(dāng)復(fù)制叉沿模板鏈移動(dòng)時(shí), 所加入的每個(gè)脫氧核苷酸都將受到嚴(yán)格檢查[2]。DNA聚合酶的3′→ 5′外切酶活性對(duì)DNA復(fù)制的準(zhǔn)確性極為重要，可以使DNA復(fù)制的準(zhǔn)確性提高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。

3 DNA合成原料(dNTP)的平衡供應(yīng)

DNA 合成需要4種脫氧核苷三磷酸(dNTP)為原料，細(xì)胞內(nèi)各種dNTP合適比率的保持是正常生長(zhǎng)所必需的。任何一種dNTP的缺乏都是致死的, 而當(dāng)某一種dNTP濃度升高時(shí), 增加了dNTP與DNA聚合酶的結(jié)合，使引物3′端遠(yuǎn)離3′→ 5′外切酶活性位點(diǎn)，在提高了其錯(cuò)誤摻入新生DNA 鏈中可能性的同時(shí)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(fù)制準(zhǔn)確性的重要因素

需要RNA 引物是DNA 復(fù)制的基本特點(diǎn)之一。這與DNA 聚合酶的結(jié)構(gòu)與功能的特點(diǎn)密切相關(guān)。DNA 聚合酶不具有從頭合成DNA 新鏈的能力，而只能將單個(gè)的脫氧核苷酸結(jié)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?yàn)樗鼪](méi)有校對(duì)功能，因此它們的出錯(cuò)率比DNA聚合酶明顯提高, 這樣就產(chǎn)生了一個(gè)巧妙的解決辦法，即DNA復(fù)制時(shí),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(cuò)誤的來(lái)源, 有效地提高DNA 復(fù)制的準(zhǔn)確性，具有明顯的進(jìn)化優(yōu)勢(shì)。

5 DNA復(fù)制后錯(cuò)配堿基的進(jìn)一步修正

在DNA復(fù)制過(guò)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(huì)有少量的dUTP摻入，而且胞嘧啶(C)脫氨基后也會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槟蜞奏?U)。對(duì)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(guò)核苷酸的切除修復(fù)而被T 取代。

另外，DNA 復(fù)制過(guò)程中產(chǎn)生的錯(cuò)配堿基還可通過(guò)錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)加以糾正。在大腸桿菌中存在一種甲基指導(dǎo)修復(fù)系統(tǒng)，若錯(cuò)誤摻入的核苷酸在聚合反應(yīng)中未被校正，則可通過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)。DNA鏈上核苷酸的甲基化可保護(hù)該DNA鏈免受限制酶的攻擊，復(fù)制時(shí)合成的DNA新鏈暫時(shí)未被甲基化酶所修飾，而模板鏈已甲基化，當(dāng)發(fā)生堿基錯(cuò)配時(shí)，限制酶可由甲基指導(dǎo)選擇性地識(shí)別DNA新鏈上的錯(cuò)配堿基進(jìn)行修復(fù)，以提高復(fù)制的準(zhǔn)確性[2]。