半保留複製

半保留複製闡述了在所有已知細胞中DNA複製的機制。半保留複製的名字來源於這樣的事實，在複製產生的兩個子代DNA拷貝中，每個拷貝的DNA雙鏈包含一個來自親代DNA的單鏈和一個新合成的DNA單鏈。

DNA的半保留複製假說最早由前蘇聯生物學家尼古拉·科爾佐夫（Nikolai Koltsov）於1927年提出。1953年沃森（J.D.Watson）和克里克（F.H.C.Crick）發表的DNA雙螺旋結構為此假說提供了結構上的依據。1958年美國科學家馬修 梅塞森（Matthew Meselson）和富蘭克林 斯塔爾（Franklin Stahl ）的DNA同位素標記試驗 證實了DNA的雙螺旋結構和半保留複製機制。

DNA既然是主要的遺傳物質，它必須具備自我複製的能力，即通過複製形成新的和原來一樣的DNA分子的能力。但雙鏈DNA是如何解鏈、如何進行複製和如何保證DNA序列不變的，一直有很多的假說。

DNA在活體內的半保留複製特徵已為1958年以來的大量試驗所證實。DNA分子獨特的雙螺旋結構，為複製提供了精確的模板，通過鹼基互補配對，保證了複製能夠準確地進行。DNA分子通過複製，使遺傳信息從親代傳給了子代，從而保持了遺傳信息的連續性。DNA的這種複製方式對保持生物遺傳的穩定具有非常重要的作用。

DNA還可能存在其他兩種複製方式，都以原來親本DNA雙鏈分子作為模板鏈。

全保留複製（conservative replication）：保守複製會使兩條原始模板DNA鏈以雙螺旋結合在一起，併產生由兩條含有所有新DNA鹼基對的新鏈組成的拷貝。

分散複製（dispersive replication）：分散複製將產生兩個DNA拷貝，兩個拷貝都含有由原始鏈或兩個新鏈組成的不同DNA區域。

1958年Meselson和Stahl利用氮標記技術在大腸桿菌中首次證實了DNA的半保留複製，他們將大腸桿菌放在含有15N標記的NH4Cl培養基中繁殖了15代，使所有的大腸桿菌DNA被15N所標記，可以得到15N-DNA。然後將細菌轉移到含有14N標記的NH4Cl培養基中進行培養，在培養不同代數時，收集細菌，裂介細胞，用氯化銫(CsCl)密度梯度離心法觀察DNA所處的位置。由於15N-DNA的密度比普通DNA(14N－DNA)的密度大，在氯化銫密度梯度離心(density gradient centrifugation)時，兩種密度不同的DNA分佈在不同的區帶。邊解旋邊複製。發生在有絲分裂間期或減數第一次分裂前的間期.

DNA既然是主要的遺傳物質，它必須具備自我複製的能力。瓦特森和克里克（1953）在提出DNA雙螺旋結構模型的同時，對DNA複製也進行了假設。他們根據DNA分子雙螺旋結構模型，認為DNA分子的複製，首先是從它的一端氫鍵逐漸斷開。當雙螺旋的一端已拆開為兩條單鏈時，各自可以作為模板，從細胞核內吸取與自己鹼基互補的遊離核苷酸（A吸取T，C吸取G），進行氫鍵的結合，在複雜的酶系統的作用下，逐漸連接起來，各自形成一條新的互補鏈，與原來模板單鏈互相盤旋在一起，兩條分開的單鏈恢復為雙鏈DNA分子，與原來的完全一樣。DNA的這種複製方式稱為半保留複製（semiconservative replication）,因為通過複製所形成的新的DNA分子，保留原來親本DNA雙鏈分子的一條單鏈。

DNA在活體內的半保留複製特徵已為1958年以來的大量試驗所證實。DNA的這種複製方式對保持生物遺傳的穩定具有非常重要的作用。

還可能存在其他兩種複製方式，都以原來親本DNA雙鏈分子作為模板鏈。一種方法稱為全保留複製（conservative replication）,在複製過程中新的DNA分子單鏈結合在一起，形成一條新的DNA雙鏈，而親本DNA雙鏈仍然被保留在一起。另一種方法稱為散布式複製(dispersive replication)，在複製過程中親本DNA雙鏈被切割成小片段，分散在新合成的兩條DNA雙鏈分子中。

1953年J．D．Watson和 F．H．C． Crick在提出DNA雙螺旋結構時，對其互補關係予以很大的重視，而且提出了DNA的複製模型。DNA在進行複製時各以雙鏈中的每一條鏈作為模板，各個和互補的前體單核苷酸配對重合而形成與這二條單鏈各各對應的雙重子螺旋二條。所謂互補就是指腺嘌呤一定只與胸腺嘧啶配對，鳥嘌呤一定只與胞嘧啶配對，新的單核苷酸排列在模板上時，其排列法是依原來鏈上的鹼基通過互補來決定的。這樣無論子分子與子分子間，還是子分子與母分子間，鹼基排列順序是完全相同。這樣一來具有和親本完全一樣的遺傳信息的子分子自我增殖了二倍。這時所產生的子雙重螺旋分子一條鏈是從親代原封不動的接受下來的，只有相對的一條鏈是新合成的，所以把這種複製方式稱作半保留複製。這個模型曾用重同位素標記的DNA以密度梯度離心法進行分析，或用放射性同位素標記的DNA以放射自顯影法進行測定等等，用幾種不同原理的方法，曾在從人到病毒的許多種生物中進行了驗證，肯定了這個模型的正確性和普遍性。關於DNA是以半保留方式複製這一點已被認為是生物學中最基本的肯定性原理。

構成DNA分子的基本單位是脫氧核苷酸，許許多多脫氧核苷酸通過一定的化學鍵連接起來形成脫氧核苷酸鏈，每個DNA分子是由兩條脫氧核苷酸鏈組成。DNA分子結構的特點是：①DNA分子的基本骨架是磷酸和脫氧核糖交替排列的兩條主鏈；②兩條主鏈是平行但反向，盤旋成的規則的雙螺旋結構，一般是右手螺旋，排列於DNA分子的外側；③兩條鏈之間是通過鹼基配對連接在一起，鹼基與鹼基間是通過氫鍵配對在一起的，其中A與T以2個氫鍵相配對，C與G之間以3個氫鍵配對。所以在一個DNA分子中，G和C的比例較高，則該DNA分子就比較穩定。

DNA分子結構具有相對的穩定性是由兩個方面決定的。一是基本骨架部分的兩條長鏈是由磷酸和脫氧核糖相間排列的順序穩定不變；二是空間結構一般都是右旋的雙螺旋結構。DNA分子的穩定性主要由三種化學鍵維持：互補鹼基之間的氫鍵，鹼基之間的鹼基堆集力，以及主鏈上帶負電的磷酸與溶液陽離子之間的離子鍵。DNA 分子的多樣性是由鹼基對的排列順序的多樣性決定的。DNA分子的特異性是指對於控制某一特定性狀的DNA分子中的鹼基排列順序是穩定不變的，如控制合成唾液澱粉酶的基因中，不論是何人，這段DNA分子中的鹼基排列順序是穩定不變的。

20世紀40年代～50年代，科學家已經知道DNA分子是由四種脫氧核苷酸組成的一種高分子化合物。但是，對於只

由四種脫氧核苷酸組成的DNA分子為什麼能夠成為遺傳物質，仍然

感到困惑不解。為此，許多科學家都投入到對DNA分子結構的研究

中。1953年，美國科學家沃森和英國科學家克里克，共同提出了

DNA分子的雙螺旋結構模型(如圖)。

DNA分子的結構模式圖中可以看出，DNA分子的基本單位是脫氧核苷酸(如圖)。由於組成脫氧核苷酸的鹼基只有四種：腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)，因此，脫氧核苷酸也有四種，即腺嘌呤脫氧核苷酸、鳥嘌呤脫氧核苷酸、胞嘧啶脫氧核苷酸和胸腺嘧啶脫氧核苷酸。DNA分子就是由很多個脫氧核苷酸聚合而成的長鏈，簡稱多核苷酸鏈。

沃森和克里克認為，DNA分子的立體結構是規則的雙螺旋結構。這種結構的主要特點是：(1)DNA分子是由兩條鏈組成的，這兩條鏈按反向平行方式盤旋成雙螺旋結構。(2)DNA分子中的脫氧核糖和磷酸交替連結，排列在外側，構成基本骨架；鹼基排列在內側。(3)DNA分子兩條鏈上的鹼基通過氫鍵連結成鹼基對，並且鹼基配對有一定的規律：A(腺嘌呤)一定與T(胸腺嘧啶)配對；G(鳥嘌呤)一定與C(胞嘧啶)配對。鹼基之間的這種一一對應關係，叫做鹼基互補配對原則。在DNA分子的結構中，鹼基之間的氫鍵具有固定的數目，即A與T之間以2個化學鍵相連(A=T)，G與C之間以3個化學鍵相連(G≡C)。由於嘌呤分子(A、G)大於嘧啶的分子(C、T)，因此，要保持DNA兩條長鏈之間的距離不變，必定是一個嘌呤與一個嘧啶配對。根據鹼基分子所佔空間的大小，只有A與T配對，G與C配對，鹼基對的長度才能大致相同。根據DNA分子的上述特點，沃森和克里克製作出了DNA分子的雙螺旋結構模型。

從製作的DNA雙螺旋結構模型中可以看出，組成DNA分子的鹼基雖然只有四種，但是，鹼基對的排列順序卻是可以千變萬化的。例如，在生物體內，一個最短的DNA分子也大約有4000個鹼基對，這些鹼基對可能的排列方式就有4種。鹼基對的排列順序就代表了遺傳信息。由此可見，DNA分子是能夠儲存大量的遺傳信息的。鹼基對的排列順序的千變萬化，構成了DNA分子的多樣性，而鹼基對的特定的排列順序，又構成了每一個DNA分子的特異性，這就從分子水平上說明了生物體具有多樣性和特異性的原因。DNA分子的複製DNA分子的結構不僅使DNA分子能夠儲存大量的遺傳信息，還使DNA分子能夠傳遞遺傳信息。遺傳信息的傳遞是通過DNA分子的複製來完成的。DNA分子的複製是指以親代DNA分子為模板合成子代DNA的過程。這一過程是在細胞有絲分裂的間期和減數第一次分裂的間期，隨著染色體的複製而完成的。

DNA的複製是一個邊解旋邊複製的過程(如圖)。複製開始時，DNA分子首先利用細胞提供的能量，在解旋酶的作用下，把兩條螺旋的雙鏈解開，這個過程叫做解旋。然後，以解開的每一段母鏈為模板，以周圍環境中遊離的四種脫氧核苷酸為原料，按照鹼基互補配對原則，在有關酶的作用下，各自合成與母鏈互補的一段子鏈。隨著解旋過程的進行，新合成的子鏈也不斷地延伸，同時，每條子鏈與其對應的母鏈盤繞成雙螺旋結構，從而各形成一個新的DNA分子。這樣，複製結束后，一個DNA分子就形成了兩個完全相同的DNA分子。新複製出的兩個子代DNA分子，通過細胞分裂分配到子細胞中去。由於新合成的每個DNA分子中，都保留了原來DNA分子中的一條鏈，因此，這種複製方式叫做半保留複製。由DNA的複製過程可以看出，DNA分子複製需要模板、原料、能量和酶等基本條件。

在上世紀中葉（1950s）JamesWatson和FrancisCrick提出了著名的DNA雙螺旋以及雙鏈間鹼基配對的模型，根據這個模型，他們進一步提出了DNA複製的半保留模型（semiconservativemodel），雖然這個模型比當時並存的全保留模型（conservative模型）看起來簡單易行的多，但始終缺乏有說服力的數據。最後在1957年，當時在Caltech作研究生的MatthewMeselson和作博士后的FranklinStahl設計並實現了這組著名的，證明了DNA複製半保留機理的實驗。試驗中，他們先將大腸桿菌細胞培養在用15NH4Cl作為唯一氮源的培養液里養很長時間（14代），使得細胞內所有的氮原子都以15N的形式存在（包括DNA分子里的氮原子）。這時再加入大大過量的14NH4Cl和各種14N的核苷酸分子，細菌從此開始攝入14N，因此所有既存的“老”DNA分子部分都應該是15N標記的，而新生的DNA則應該是未標記的。接下來他們讓細胞們繼續高高興興地生長，而自己則在在不同時間提取出DNA分子，利用CsCl密度梯度離心分離，最後得到每行從左到右由一個實驗代碼（這個數對我們來說沒啥用），一個小圖片，一個峰狀譜和一個被叫做generation的數字組成。最後這個數字實際上反映了從加入氮14開始，細胞進行了多少次分裂（也就是進行了多少次複製），左邊的黑色帶狀圖案反映了該樣品中DNA在離心管中的相應位置。大家可以想象一下這一列小圖片是一組疊置的離心管，每根管都是管口向左比齊（在密度梯度分離法中，密度越大的分子應該越接近管底，就上圖來說也就是越靠右）。這樣一來不難看出隨著細胞的分裂，上圖中DNA的密度有所減小，從而向左遷移。而當細胞分裂了一次的時候只有一個DNA帶，這就否定了所謂的全保留機理，因為根據全保留機理，DNA複製應該通過完全複製一個“老”DNA雙鏈分子而生成一個全新的DNA雙鏈分子，那麼當一次複製結束，應該一半DNA分子是全新（雙鏈都完全只含14N），另一半是“全老”（雙鏈都完全只含15N）。這樣一來應該在出現在離心管的不同位置，顯示出兩條黑帶。DNA帶的密度應當介於兩者之間，也就是相當於一根鏈是14N，另一根鏈是15N。而經歷過大約兩次複製后的DNA樣品（generation=1.9）在離心管中顯示出強度相同的兩條黑帶，一條的密度和generation=1時候的一樣，另一條則等同於完全是14N的DNA。這樣的結果跟半保留機理推測的結果完美吻合：就這樣，關於DNA複製機理的爭論終於被Meselson和Stahl完美解決，而基因學和基因組學也得以在此後的五十年取得一系列重大突破。

Watson與Crick在提出DNA雙螺旋模型是，曾推測在DNA複製時，首先是DNA氫鍵斷裂，雙鏈彼此分開，然後每條鏈可分別作為模板，在其上按鹼基互補原則配對，合成新的多核苷酸鏈。這樣兩個子代DNA的鹼基順序與親代DNA鹼基順序完全相同。每個子代DNA中的一條鏈都來自親代DNA，另一條是新合成的。這種複製稱為半保留複製。實驗結果表明：在全部由15N標記的培養基中得到的15N桪NA顯示為一條重密度帶位於離心管的管底。當轉入14N標記的培養基中繁殖后第一代，得到了一條中密度帶，這是15N桪NA和14N-DNA的雜交分子。第二代有中密度帶及低密度帶兩個區帶，這表明它們分別為15N14N－DNA和14N14N-DNA。隨著以後在14N培養基中培養代數的增加，低密度帶增強，而中密度帶逐漸減弱，離心結束后，從管底到管口，CsCl溶液密度分佈從高到低形成密度梯度，不同重量的DNA分子就停留在與其相當的CsCl密度處，在紫外光下可以看到DNA分子形成的區帶。為了證實第一代雜交分子確實是一半15N-DNA－半14N－DNA，將這種雜交分子經加熱變性，對於變性前後的DNA分別進行CsCl密度梯度離心，結果變性前的雜交分子為一條中密度帶，變性后則分為兩條區帶，即重密度帶(15N－DNA)及低密度帶(14N－DNA)。它們的實驗只有用半保留複製的理論才能得到圓滿的解釋。第一代分子含有一條親代的鏈(用黑色素示)，與另一條新合成的鏈(用白色表示)配對。在以後的連續複製過程中，原來親代的兩條鏈仍然保持完整，因此總有兩個分子各具有一條原來親代的鏈。Meslson?Stahl實驗密度梯度離心后的DNA位置：左三管為對照；右三管為實驗結果.

為驗證DNA的半保留複製，科學家設計了如下實驗：用含3H標記物的培養基處理蠶豆根尖細胞（2n=12），待其完成。次分裂后移入含有秋水仙素的普通培養液中，再讓細胞連續分裂兩次，通過放射自顯影技術檢驗分裂期細胞染色體的放射性。據此實驗分析回答：（秋水仙素作用不影響複製，但可抑制紡錘體的形成）帶上3H標記的根尖細胞移入含有秋水仙素的普通培養基中，連續分裂兩次，則第二次分裂前期細胞中有24條染色體。如果DNA的半保留複製假設成立，實驗結果應為：（1）一條顯示放射性，另一條沒有放射性。

（2）染色體只有一半顯示放射性，而顯示放射性的每條染色體只有一條染色單體顯示放射性。

（一）第一代分裂后形成的每條染色體上的一個DNA分子兩條鏈一條有放射性一條沒有放射性，如果是半保留複製，以解旋以後的兩條鏈為模板（一條有放射性一條沒有放射性）在普通培養液中形成的兩條子鏈都沒有放射性，這樣複製后的每條染色體都有一條染色單體具有放射性（以有放射性的那條母鏈為模板形成的）一條染色單體沒有放射性（以沒有放射性的那條鏈為模板形成的），所以第一次分裂中期每條染色體上都有放射性，而每條染色體上的兩條染色單體一條有放射性一條沒有放射性。

（二）在第一代分裂的基礎上進行第二代分裂，由於第一代分裂中期的每條染色體上的染色單體一條有放射性一條沒有放射性，所以著絲點分裂后形成的染色體就只有一半具有放射性了，而有放射性的染色體其中的DNA只有一條鏈具有放射性，如果是半保留複製，以解旋后的兩條鏈為模板在普通培養液中形成兩條沒有放射性的子鏈，這樣有放射性的染色體複製后形成的兩條染色單體就只有一條染色單體顯示放射性。