基因診斷與性病/DNA的復制

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基因診斷與性傳播疾病

基因診斷與性傳播疾病
- 基因診斷的分子生物學基礎
  - DNA及RNA的化學組成
  - DNA分子結構
  - RNA分子結構
  - 核酸的理化性質
  - DNA的復制

DNA作為遺傳物質的基本特點就是能夠準確地自我復制，而DNA的互補雙螺旋結構對于維持這類遺傳物質的穩定性和復制的準確性都是極為重要的。

（一）DNA復制的方式

從前面的內容可知，DNA是由兩條互補的多核苷酸鏈組成的，其中一條鏈上的核苷酸排列順序可以決定另一條鏈上的核苷酸順序。據此推測，在復制過程中，首先DNA雙螺旋的兩條多核苷酸鏈之間氫鍵斷裂，雙鏈解開，然后每條鏈各自作為模板，以脫氧核糖核苷酸為原料，按照堿基配對規律，合成新的互補鏈。這樣形成的兩個子代DNA分子與原來的親代DNA分子的核苷酸順序完全相同。在此過程中，每個子代分子的一條鏈來自親代DNA，另一條鏈則是新合成的。這種復制方式稱為半保留復制。實驗證明，DNA半保留復制的方式是正確的。由于DNA在代謝上的穩定性，經過許多代的復制，DNA分子上的遺傳信息仍可傳給后代。

（二）參與復制的酶類

DNA的復制過程極為復雜，但其速度甚快，這是由于許多酶參與了復制過程。

1．DNA聚合酶（DNApolymerase）。四種脫氧核糖核苷酸（dNTP，N代表A、T、G、C四種堿基）是DNA合成的原料。在原有DNA模板鏈存在時，DNA聚合酶催化四種dNTP通過與模板鏈的堿基互補規律，合成新的DNA鏈，故此酶又被稱為DNA指導的DNA聚合酶（DNa directed DNA polymerase，縮寫為DDDP）。

值得注意的是，DNA聚合酶不能自行從頭合成DNA鏈，而必須有一個原有的多核苷酸鏈作為引物，DNA聚合酶只能在引物的3′末端上逐步合成DNA鏈。由此可見，DNA鏈的合成方向是從5′端至3′端進行的。

無論在原核細胞或真核細胞中，均存在著多種DNA聚合酶，它們的性質不完全相同。目前認為，在真核細胞中，DNA聚合酶α在復制中起關鍵作用，而DNA聚合酶β主要在DNA損傷的修復中起作用。

2．引物酶。由于DNA聚合酶不能自行從頭合成DNA鏈，因此在復制過程中首先需要合成一小段RNA的多核苷酸鏈作引物，在這段RNA引物的基礎上引導DNA鏈的合成，催化RNA引物合成的酶是引物酶，實際上它是一種特殊的RNA聚合酶。

3．DNA連接酶。因為復制過程中，DNA鏈的合成方向只能由5′端→3′端方向進行，因此其中有一條新鏈的合成是不連續的。起初生成的是許多短鏈。需要DNA連接酶將它們連接起來。

4．參與DNA解旋、解鏈的酶及因子。已知DNA具有超螺旋結構。復制時必須松弛DNA模板的超螺旋結構，并使DNA的雙鏈分開，暴露堿基，否則不可能在模板上按堿基配對原則合成新的互補DNA鏈。松馳模板DNA超螺旋，分開雙鏈主要由拓撲異構酶，解鏈酶及DNA結合蛋白等來完成。

（三）DNA復制的過程

DNA復制大致可分為以下幾個階段。

1．起始與引物RNA的合成

DNA復制有固定的起始部位，在真核細胞DNA雙鏈上有多個起始部位。復制時，解鏈酶等先使DNA的一段雙鏈解開，形成復制點。這個復制點的形狀象一個叉子，故稱為復制叉。引物酶能辯認起始部位，并以四種核糖核苷酸為底物，以解開的一段DNA鏈為模板，按5′-3′方向合成RNA片段。在這一階段只合成了引物RNA，為DNA鏈的合成做好了準備工作。

2．DNA片段的生成

在細胞內，DNA的兩條鏈都可作為模板，同時合成兩條DNA鏈。由于DNA兩條鏈是反向平行的，即一條鏈是5′→3′方向，而另一條鏈則是3′→5′方向。但是，DNA聚合酶催化DNA鏈的合成只能順著5′→3′方向進行。因此，在新的DNA鏈中有一條連續合成的（稱前導鏈），而另一條是不連續合成的（稱隨從鏈。在隨從鏈合成過程中，先合成的是較短的片段（稱為岡崎片段），然后將這些片段再連結起來，形成完整的DNA鏈。岡崎片段的合成方向仍然是5′→3′，反應直至下一個引物RNA的5′端為止。

3．RNA引物的水解

DNA片段合成一定長度后，鏈中的RNA引物被核酸酶水解而切掉。此時出現的缺口由DNA片段繼續延長而填補。

4．完整的DNA分子的形成

相鄰的兩個DNA片段在DNA連接酶作用下連接起來，形成大分子DNA鏈，與其對應的模板DNA鏈一起生成子代雙螺旋DNA，即完整的DNA分子。

DNA復制過程十分準確，極少發生錯誤，由此保證了子代DNA與親代DNA分子完全相同，這是遺傳穩定性的重要基礎。某些因素可使DNA結構改變，則導致子代DNA結構的相應變化，稱為遺傳的變異。