DNA复制准确性的机制

秦四哥

DNA复制采取半保留的方式，整个过程错综复杂。DNA复制的准确性是物种保持稳定性的需要，当复制发生错误时可能导致突变或致死。生物体靠什么来保证DNA复制的准确性呢？

1 DNA聚合酶的选择和识别作用

DNA聚合酶的动力学研究表明，体外由DNA聚合酶催化的DNA合成过程的准确性比单纯依靠碱基互补配对提高了3~5个数量级。在DNA复制过程中，DNA聚合酶与模板的结合可以引起构象的改变，从而使DNA聚合酶对正确与错误核苷酸的亲和力以及把它们掺入引物末端的速度产生差异，因此DNA聚合酶能够根据模板的脱氧核苷酸，选择正确的dNTP掺入引物末端，错误的碱基不能进行聚合反应。另外，新生链的引物末端也影响DNA聚合酶的识别过程。只有引物3'-OH末端正确时，DNA聚合酶才能起作用。引物末端不正确，即使与模板的下一个核苷酸互补也不能与聚合酶发生相互作用。这是因为DNA聚合酶的识别是一种有序的过程，即先识别模板和引物的3’末端，再识别底物。这样，通过DNA聚合酶对碱基的选择和对底物的识别作用，保证了新合成的链严格按照模板链的互补碱基顺序进行聚合。

2 DNA聚合酶的校正作用

通过对高度纯化的大肠杆菌DNA聚合酶性质的详细研究表明，DNA聚合酶具有三种不同的酶活性，其中一个重要功能便是3’→5’外切酶活性。它能检测和纠正DNA聚合酶在3’末端造成的偶然错配的碱基，称为校对。在正常聚合条件下，3’→5’外切酶活力受到抑制，若一旦出现错配碱基对，聚合反应立即停止，3'→5’外切酶活性迅速除去错误进入的核苷酸，然后聚合反应才得以继续进行下去。所以当复制叉沿模板链移动时，所加入的每个脱氧核苷酸都将受到严格检查。DNA聚合酶的3’→5'外切酶活性对DNA复制的准确性极为重要，可以使DNA复制的准确性提高1~2个数量级。

3 DNA合成原料（dNTP）的平衡供应

DNA合成需要4种脱氧核苷三磷酸（dNTP）为原料，细胞内各种dNTP合适比率的保持是正常生长所必需的。任何一种dNTP的缺乏都是致死的，而当某一种dNTP浓度升高时，增加了dNTP与DNA聚合酶的结合，使引物3'端远离3'→5’外切酶活性位点，在提高了其错误掺入新生DNA链中可能性的同时又有效逃避了3’→5’外切酶活性的校正。

4 RNA引物的合成与切除是提高DNA复制准确性的重要因素

需要RNA引物是DNA复制的基本特点之一。这与DNA聚合酶的结构与功能的特点密切相关。DNA聚合酶不具有从头合成DNA新链的能力，而只能将单个的脱氧核苷酸结合到已有的引物链末端。RNA聚合酶能引发新链从头合成是因为它没有校对功能，因此它们的出错率比DNA聚合酶明显提高，这样就产生了一个巧妙的解决办法，即DNA复制时，先由引物酶（RNA聚合酶）合成RNA引物，供DNA聚合酶合成DNA新链，这些短的引物在完成功能后随即为DNA聚合酶I所切除，代之以高保真的核苷酸序列。因此，RNA引物的使用可消除错误的来源，有效地提高DNA复制的准确性，具有明显的进化优势。

5 DNA复制后错配碱基的进一步修正

在DNA复制过程中，DNA聚合酶不能很有效地区别dUTP和dTTP，即使dUTP浓度水平很低，新合成的DNA中依然会有少量的dUTP掺入，而且胞嘧啶（C）脱氨基后也会转变为尿嘧啶（U）。对于DNA链上出现的这些U，能被尿嘧啶-N-糖基化酶有效地切除，然后通过核苷酸的切除修复而被T取代。

另外，DNA复制过程中产生的错配碱基还可通过错配修复系统加以纠正。在大肠杆菌中存在一种甲基指导修复系统，若错误掺入的核苷酸在聚合反应中未被校正，则可通过该系统进行修复。DNA链上核苷酸的甲基化可保护该DNA链免受限制酶的攻击，复制时合成的DNA新链暂时未被甲基化酶所修饰，而模板链己甲基化，当发生碱基错配时，限制酶可由甲基指导选择性地识别DNA新链上的错配碱基进行修复，以提高复制的准确性。

——李守宇.生物学教学.2016年（第41卷）第1期