原核生物的DNA複製 Prokaryotic DNA replication (詳細重點整理)

本篇文章將整理原核生物DNA複製的重點。透過列點的方式，更容易清楚整個DNA複製的過程。
另外，除了原核生物外，若想了解真核生物的DNA複製的詳細內容，請參考真核生物的DNA複製 Eukaryotic DNA replication (詳細重點整理)。

DNA複製的方式

半保留複製(semiconservation)

半保留複製是DNA複製的方式。DNA進行複製時，雙股DNA會解旋(unwind)為單股，2條單股DNA再各自成為模板(template)。

半不連續合成(semidiscontinuous)

DNA複製是採半不連續合成的方式。意思是在複製過程中，會出現複製叉(replication fork)，其中有一股DNA是採取連續合成(leading strand)，另一股DNA是採取不連續合成(lagging strand)。

DNA複製需要的元素

• DNA模板(template)
• DNA 聚合酶(DNA polymerase)
• dNTP：也就是dATP、dTTP、dCTP、dGTP。
• RNA primer：
  • Primer由primase合成。
  • primer提供free 3’-OH來連接第一個核甘酸。

關於原核生物的DNA polymerase

1. DNA polymerase進行DNA複製的方向

• 新的DNA股是由5’到3’合成DNA。
• 由五碳糖的3’-OH和下一個核甘酸的α-磷酸形成新的磷酸雙酯鍵(phosphodiester bond)。

2. DNA polymerase的共同能力

DNA polymerase利用構造來達到以下3種能力，也因為具有這些能力，才可以達成DNA合成的高正確性：

• 確認新的DNA股加入的是dNTP，而不是NTP。
• 確認dNTP是否與模板(template)互補。
• 有校正(proofreading)的能力，指的是DNA polymerase具有3’→5’ exonuclease的活性，能將沒有正確互補的部分移除。

3. DNA polymerase III的結構

DNA polymerase III (holoenzyme)

• DNA polymerase III (holoenzyme) = 2 core polymerase + γ complex
  • core polymerase的組成：α subunit、ε subunit、ϴ subunit。
    • α subunit：有聚合(5’→3’polymerization)的能力。
    • ε subunit：有校正(3’→5’ exonuclease)的能力。
    • ϴ subunit：將α subunit和ε subunit穩定結合。
  • γ complex的組成：τ、γ、δ、δ’。
    • τ：將2 個core polymerase連在一起。
    • γ complex會協助β clamp結合於DNA。

關於β clamp

• 透過γ complex的協助，β clamp可以結合於DNA，以提供更好的持續度(processivity)。

關於持續度(processivity)

• DNA polymerase持續加入dNTP，合成DNA，進行複製的能力。

4. DNA polymerase I的結構

DNA polymerase I經由蛋白酶(protease)切割後，可以分為大片段及小片段。

大片段(large fragment)

• 又稱為Klenow fragment。
• 有聚合(5’→3’polymerization)的能力。
• 有校正(3’→5’ exonuclease)的能力。

小片段(small fragment)

• 有nick translation(5’→3’ exonuclease)的能力。

關於nick translation

• 只有DNA polymerase I有nick translation(5’→3’ exonuclease)的能力。透過nick translation，移除RNA primer，最後nick的位置再由DNA ligase協助補上。

關於DNA ligase

• DNA ligase的功能為催化phosphodiester bond形成。

原核生物的DNA複製的過程

整體重點

• DNA以Trombone model的形式進行複製。透過Trombone model的形式，使DNA polymerase III有辦法協助leading strand及lagging strand一起進行合成。
• Trombone model上會有single strand binding protein (SSB)結合，防止單股DNA黏合變回雙股DNA，使DNA複製能夠順利進行。

階段重點

原核生物的DNA複製-initiation階段

起始點(origin)

• DNA複製的起點，原核生物的每個染色體中只有1個origin。
• Origin是一段序列，這段序列包含R site及DUE site。

起始點(origin)

• Initiator有Dna A、Dna B、Dna C、Dna D。
• Dna B為解旋酶(helicase)。
• Dna D為primase。

關於primosome

• Dna B及Dna D合稱為primosome。

Initiator結合origin

• Dna A結合R site，Dna C協助Dna B結合DUE site，並將DUE site解旋(unwind)。
• 解旋後，Dna D 結合DNA。
• Dna D合成primer。
• DNA polymerase III結合DNA。
• 完成initiation階段。

注意

• 只有完全甲基化的DNA才能完成initiation階段。
• Dna B將DUE site解旋後所造成的螺旋壓力，由topoisomerase進行調整。

原核生物的DNA複製-elongation階段

Trombone model

• 以Trombone model的形式進行複製， leading strand及lagging strand藉由DNA polymerase III的協助，一起進行合成。
• Okazaki片段完成後，DNA polymerase I移除RNA primer，並進行nick translation。最後nick的位置再由DNA ligase協助補上。

關於Okazaki片段

• 由於不連續合成而形成的短的DNA片段，稱為Okazaki片段。

原核生物的DNA複製-termination階段

• 發生於Ter site。
• Tus protein結合Ter site，形成Tus-Ter complex。
• 先抵達Ter site的複製叉(fork)與慢抵達Ter site的複製叉，形成四股交纏的結構(catenated chromosome)。
• 四股交纏的結構由topoisomerase IV(又稱為decatenase)解開，完成termination階段。

常見問題