在分子生物学中，DNA复制是由一个原始DNA分子产生两个相同后代DNA的生物过程。DNA复制发生在所有生物中，是生物遗传的基础。细胞具有独特的分裂特性，这使得DNA复制过程变得不必要。

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在细胞中，DNA复制开始于基因组中的特定位置，或复制起源。在一种被称为解旋酶的酶的调控下，在复制起点解开DNA以合成子序列，导致复制叉从复制起点双向生长。许多蛋白质与帮助启动和扩展DNA合成的复制叉有关。最值得注意的是，DNA聚合酶通过添加核苷酸来补充每条(模板)链，从而合成新的链。DNA复制发生在分裂期的S期。

DNA复制(DNA扩增)也可以在体外(人，细胞外)进行。从细胞中分离出的DNA聚合酶和人工DNA引物可用于在模板DNA分子中以已知序列开始DNA合成。例如，聚合酶链反应，连接酶链反应(LCR)和转录介导的扩增。

当前位置10-10 DNA以双链结构存在，两条链盘绕在一起形成特有的双螺旋结构。每条DNA链是一条由四个核苷酸组成的链。DNA中的核苷酸包含脱氧核糖、磷酸和碱基。这四种类型的核苷酸对应于四种核酸碱基：腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶，通常缩写为A、C、G和t。腺嘌呤和鸟嘌呤是嘌呤碱基，而胞嘧啶和胸腺嘧啶是嘧啶。这些核苷酸形成磷酸二酯键，形成核酸双螺旋的磷酸脱氧核糖骨架，核酸碱基指向内(即相反的链)。碱基通过氢键在链之间形成互补对，形成碱基对。腺嘌呤通过两个氢键与胸腺嘧啶配对，鸟嘌呤通过三个氢键与胞嘧啶配对。

DNA链是有方向性的，单链的不同末端被称为“3 '端”和“5'端”。按照惯例，如果你给出单链DNA的碱基序列，序列的左端是5 '端，右端是3'端。双螺旋的链是相反平行的，一个是5'到3'，另一个是3'到5'。这些术语是指脱氧核糖中的碳原子，链上的下一个磷酸与之相连。方向性对DNA合成有影响，因为DNA聚合酶只能从DNA链的5 '到3'添加核苷酸来合成DNA。

DNA中互补碱基的配对(通过氢键)意味着每条链中包含的信息是冗余的。磷酸二酯(链内)键比氢(链间)键更强，这使得双链能够相互分离。因此，单链上的核苷酸可以用来重建新合成的成对链上的核苷酸。

当前位置DNA聚合酶是一系列进行各种形式DNA复制的酶。一般来说，DNA聚合酶不能启动新链的合成，而只能延长与模板链配对的现有DNA或核糖核酸链。为了开始合成，必须合成一个短的核糖核酸片段，称为引物，并与模板DNA链配对。

DNA聚合酶通过延长现有核苷酸链的3 '端来增加新的DNA链，通过产生磷酸二酯键，每次增加一个与模板链匹配的新核苷酸。这种DNA聚合过程的能量来自于连接在每个未结合碱基上的三个磷酸之间的高能磷酸(磷酸酐)键的水解。带有磷酸基的自由碱基称为核苷酸；特别地，具有三个磷酸基团的碱称为三磷酸核苷。当一个核苷酸被添加到正在生长的DNA链上时，在核苷酸的近端磷酸和生长链之间形成磷酸二酯键，伴随着高能磷酸键的水解和两个远端磷酸基团作为焦磷酸盐的释放。产生的焦磷酸酶水解为无机磷酸盐消耗了第二个高能磷酸键，使反应有效地不可逆。

首先测量了活细胞中基因复制的速率，即噬菌体感染的大肠杆菌中噬菌体T4DNA的延伸率。此外，一些DNA聚合酶还具有校对能力；它们可以移除生长链末端的核苷酸来纠正不匹配的碱基。最后，复制后错配修复机制监测DNA错误，并能够区分新合成的DNA链与模板链序列中的错配。总之，这三个鉴定步骤导致每添加109个核苷酸在复制保真度上的误差小于一个。

基因在活细胞中的复制速率首先以噬菌体感染中噬菌体T4基因的延伸率来测定。大肠杆菌。在37下，DNA的指数生长速率为每秒749个核苷酸。在T4DNA合成过程中，每拷贝一个碱基对的突变率为1.7/108。

像所有生物聚合过程一样，DNA复制发生在三个酶催化和协调的步骤：起始，延伸和终止。

一个细胞要分裂，必须首先复制它的DNA。这个过程开始于DNA中被称为“起源”的特定点，它与起始蛋白质结合。在大肠杆菌中，这种蛋白质是dna;在酵母中，这是起源识别复合体。触发蛋白质结合的DNA序列往往“富含腺苷酸和胸腺碱”，因为A-T有两个氢键(而不是三个C-G形式)，所以双链更容易分离。一旦找到起始点，这些起始蛋白就会招募其他蛋白，形成预复制复合体，解开双链DNA的缠结。

DNA聚合酶具有5—3活性。在合成开始之前，所有已知的DNA复制系统都需要一个自由的3'羟基(注意：DNA模板是在3'到5'方向上读取的，而新的链是在5'到3'方向上合成的-(这一点经常被混淆)。DNA合成有四种不同的机制：

所有的细胞生命形式和许多DNA病毒、噬菌体和质粒都使用引物酶合成带有游离3 '羟基的短RNA引物，随后被DNA聚合酶延长。逆转录因子(包括逆转录病毒)利用trnas通过提供一个被逆转录酶延长的游离3 '羟基来启动DNA复制。在腺病毒和29噬菌体家族中，3 '羟基由基因组木质素(端蛋白)的氨基酸侧链提供，DNA聚合酶将核苷酸添加到其上形成新的链。在单链DNA病毒(包括环状病毒、双生病毒、细小病毒等)以及许多使用滚动环复制(RCR)机制的噬菌体和质粒中，RCR内切酶在基因组链(单链病毒)或其中一条DNA链(质粒)中产生缺口。缺口链的5 '末端被转移到核酸酶上的酪氨酸残基上，然后DNA聚合酶利用游离的3'羟基合成新的链。第一种是这些机制中最著名的，被细胞生物所使用。在这种机制中，一旦两条链分离，引物酶将RNA引物添加到模板链上。前导链接收一个RNA引物，后导链接收多个RNA引物。前导链通过高度可加工的DNA聚合酶从引物连续延伸，而滞后链则从形成冈崎片段的每个引物间断延伸。核糖核酸酶去除引物核糖核酸片段，然后一种不同于复制聚合酶的低加工DNA聚合酶进入填补空白。当这个过程完成后，在先导链上可以发现一个间隙，在滞后链上可以发现几个间隙。连接酶可以填补这些空白，以完成新复制的DNA分子。

在这一过程中，细菌和古细菌/真核生物使用的引物酶有显著差异。这种细菌使用一种属于DnaG蛋白超家族的引物酶，该酶含有TOPRIM折叠催化结构域。TOPRIM的折叠催化结构域包含一个具有四条类似rossmann拓扑结构的保守链的/核。该结构也存在于拓扑异构酶Ia、拓扑异构酶II、OLD家族核酸酶和与RecR蛋白相关的DNA修复蛋白的催化结构域。

相比之下，古细菌和真核生物使用的引物含有高度衍生的RNA识别基序(RRM)。该引物在结构上与许多病毒依赖核糖核酸的核糖核酸聚合酶、逆转录酶、环核苷酸生成环化酶和参与DNA复制和修复的A/B/Y家族DNA聚合酶相似。在真核生物复制中，引物酶与Pol形成复合物。

许多DNA聚合酶在DNA复制中起着不同的作用。在大肠杆菌中，DNAPol III是主要负责DNA复制的聚合酶。它在复制分叉处组装成一个复制复合体，并表现出极高的可加工性，在整个复制周期中保持不变。相反，DNAPol 1是负责用DNA替换核糖核酸引物的酶。除了聚合酶活性外，DNAPol还具有5 '至3'外切酶活性，并利用其外切酶活性降解其前面的核糖核酸引物，同时延伸其后面的DNA链，这一过程被称为缺口翻译。Pol I比Pol III更难处理，因为它在DNA复制中的主要功能是创造许多短的DNA区域，而不是几个很长的DNA区域。

在真核生物中，低加工性酶Pol有助于启动复制，因为它与引物酶形成复合物。在真核生物中，优势链被认为是由Pol 合成的；然而，这一观点最近受到挑战，提出波尔三角洲的作用。引物移除完成Pol ，而DNA复制过程中的修复则由Pol 完成。

随着DNA合成的继续，原始DNA链继续在气泡的两侧展开，形成一个带有两个分叉的复制叉。在环状染色体上具有单一复制起点的细菌中，这一过程产生了一个“结构”(类似于希腊字母)。相比之下，真核生物有更长的线性染色体，并在这些染色体的多个起点开始复制。

[00:10 . 10]复制叉是DNA复制过程中在长螺旋DNA内形成的结构。它是由解旋酶产生的，解旋酶会破坏将两条DNA链连接在一起的氢键。由此产生的结构有两个分支“叉”，每个“叉”由一条DNA链组成。这两条链作为前导链和滞后链的模板，当DNA聚合酶将互补核苷酸与模板匹配时产生前导链和滞后链。模板可以恰当地称为领先链模板和滞后链模板。

DNA总是在5 '到3'方向合成的。由于前导链和后链模板在复制叉上的方向相反，因此如何合成新生(新)后链DNA是一个主要问题，其合成方向与生长的复制叉相反。

领先的链

优势链是一个新生的DNA链，合成的方向与复制叉延伸的方向相同。这种基因复制是连续的。

后随链

滞后链是在复制叉延伸的相反方向合成的新生DNA链。由于滞后链的定向，其复制过程比超前链更为复杂。因此，这条链上的DNA聚合酶被认为“滞后”于另一条链。

迟滞链是在短的、分离的片段中合成的。在延迟链模板上，引物酶“读取”模板的DNA，并开始合成短的互补核糖核酸引物。DNA聚合酶延伸引物片段形成冈崎片段。然后，核糖核酸引物被移除并用DNA代替，DNA片段通过DNA连接酶连接在一起。

复制分叉处的动态更改

在所有情况下，解旋酶都是由六种肽组成的，它们只围绕着一条正在被复制的DNA链。这两种聚合酶与解旋酶六聚体结合。在真核生物中，解旋酶包裹在前导链上，而在原核生物中，解旋酶包裹在后链上。

当解旋酶解开复制叉上的DNA时，它前面的DNA被迫旋转。这个过程导致它前面的DNA扭曲和堆积。这种积累产生了扭转阻力，最终阻止叉子向前移动。拓扑异构酶是一种暂时破坏DNA链的酶，它可以缓解由于解开DNA螺旋的两条链而产生的张力；拓扑异构酶(包括DNA旋转酶)通过在DNA螺旋上添加负超螺旋来完成这一过程。

裸露的单链DNA倾向于向后折叠，形成二级结构；这些结构干扰DNA聚合酶的运动。为了防止这种情况，单链结合蛋白与DNA结合，直到第二链合成，防止二级结构的形成。

夹紧蛋白在DNA周围形成滑动夹，帮助DNA聚合酶与其模板保持接触，从而有助于加工。夹子的内表面允许DNA通过。一旦聚合酶到达模板的末端或检测到双链DNA，滑动夹就会发生构象变化，释放DNA聚合酶。钳载蛋白用于初始加载钳，识别模板与核糖核酸引物之间的连接。

[01:10 . 10]在复制分叉处，许多复制酶在DNA上组装成一个复杂的分子机器，称为复制子。以下是参与后代复制的主要DNA复制因子的列表：

酶在DNA复制中的作用DNA解旋酶也被称为螺旋稳定酶。解旋酶在拓扑异构酶后面的复制叉上分离两条DNA链。DNA聚合酶在DNA复制过程中，负责催化核苷酸底物沿5 '到3'方向向DNA上添加的酶。校对和纠错也被执行。有许多不同类型的DNA聚合酶，每一种在不同类型的细胞中发挥不同的功能。DNA夹：一种阻止延伸DNA聚合酶与DNA母链分离的蛋白质。单链结合蛋白与ssDNA结合，防止DNA解绕后DNA双螺旋再退火，从而维持链分离，促进新链合成。拓扑异构酶使DNA的超螺旋性质松弛。DNA旋转酶通过解旋酶释放解绕张力；它是一种特殊类型的拓扑异构酶DNA连接酶，它将半保守链再退火并添加延迟链的冈崎片段。引物为DNA聚合酶开始合成新的DNA链提供了一个起点。在真核生物中，端粒酶通过在染色体末端添加重复的核苷酸序列来延长端粒。这使得生殖细胞和干细胞可以避免海弗利克边界对细胞分裂的影响。[

DNA结构

]复制机制由参与DNA复制的因子组成，这些因子存在于模板ssDNA上。复制机制包括原体是复制酶；DNA聚合酶、DNA螺旋酶、DNA钳形酶、DNA拓扑异构酶和复制蛋白；例如，单链DNA结合蛋白。在复制机制中，这些组件相互协调。在大多数细菌中，所有参与复制的因子都位于复制叉上，复合体在复制过程中停留在叉上。这些复制机制被称为复制器或DNA复制系统。这些术语是位于复制叉上的蛋白质的通用术语。在真核细胞和一些细菌细胞中，复制因子不形成。

由于复制机制不会相对于模板DNA移动(如工厂)，因此它们被称为复制工厂。在另一个数字中，DNA工厂类似于放映机，DNA像电影胶片一样不断进入放映机。在复制工厂模型中，当前导链和滞后链的DNA解旋酶被装载到模板DNA上后，解旋酶沿着DNA链相互连接。解旋酶仍然与复制过程的其余部分相关。Peter Meister等人通过监测绿色荧光蛋白标记的DNA聚合酶，直接观察出芽酵母的复制位点。他们检测了从复制起点对称分离的成对标记位点的DNA复制，发现位点对之间的距离随着时间的推移而显著减少。这一发现提示基因复制的机制与基因工厂有关。也就是说，复制工厂被加载到复制源和相互关联的工厂上。此外，模板DNA进入工厂，导致模板ssDNA和新生DNA的挤压。迈斯特的发现首次证明了复制工厂模型。随后的研究表明，在许多真核细胞中，DNA解旋酶形成二聚体，细菌的复制机制在DNA合成过程中停留在单个核内位置。

复制工厂完成姐妹染色单体的拆解。姐妹染色单体的解体对于DNA复制后染色质进入子细胞至关重要。因为姐妹染色单体在DNA复制后通过设计蛋白环相互结合，所以在DNA复制过程中只有一次解开缠结的机会。将复制机器固定为复制工厂，可以提高DNA复制的成功率。如果复制叉在染色体中自由移动，细胞核的连接加强并阻碍有丝分裂分离。

[00:10 . 10]真核生物在染色体上的多个点开始DNA复制，因此复制分叉在染色体上的多个点相遇并终止。因为真核生物有线性染色体，基因复制不能到达染色体的末端。由于这个问题，从染色体末端开始的每个复制周期中，DNA都会丢失。端粒是靠近末端的重复DNA区域，有助于防止基因因缩短而丢失。端粒缩短是体细胞的正常过程。这缩短了后代DNA染色体的端粒。因此，一个细胞的DNA在失去阻止进一步分裂的能力之前只能分裂这么多次。(这被称为海弗利克极限。)在将DNA传递给下一代的生殖系细胞中，端粒酶延长端粒区域的重复序列以防止降解。端粒酶在体细胞中会过度活跃，有时会导致癌症的形成。端粒酶活性增加是癌症的标志之一。

终止需要DNA复制分叉过程停止或停止。当终止发生在一个特定的位点时，它涉及两个组成部分之间的相互作用：(1)DNA中的终止位点序列，以及(2)与该序列结合以物理地停止DNA复制的蛋白质。在各种细菌中，这被称为DNA复制末端结合蛋白，或Ter蛋白。

因为细菌有环状染色体，当两个复制叉在亲本染色体的另一端相遇时，复制就结束了。大肠杆菌通过使用终止序列来调节这一过程，当它与Tus蛋白结合时，该终止序列只允许复制叉的一个方向通过。因此，复制分叉被限制在染色体终止区域内相遇。

当前位置在真核生物中，DNA的复制受细胞周期的调节。随着细胞的生长和分裂，它发生在细胞周期的各个阶段；DNA复制发生在S期(合成期)。真核细胞的整个周期是由细胞周期检查点控制的。通过检查点的进展是通过各种蛋白质(包括细胞周期蛋白和细胞周期蛋白依赖激酶)之间复杂的相互作用来控制的。与细菌不同，真核生物的DNA在细胞核内复制。

G1/S期检查点(或限制性检查点)调节真核细胞是否进入DNA复制和随后的分裂过程。没有通过这个检查点的细胞仍然处于G0期，并且不复制它们的DNA。

叶绿体和线粒体基因组的复制通过d环复制过程独立于细胞周期发生。

复制的焦点

在脊椎动物细胞中，复制位点集中在被称为复制焦点的位置。复制位点可以通过子链免疫染色和复制酶检测，也可以通过监测用绿色荧光蛋白标记的复制子检测。通过这些方法发现，在细胞分裂的S期出现了不同大小和位置的复制病灶，并且每个细胞核的复制病灶数量远小于基因组复制叉的数量。

P. Hearn等(2001)在出芽酵母细胞中追踪了绿色荧光蛋白标记的复制焦点，发现在G1期和S期复制起点不断移动，S期活性明显下降。传统上，复制位点通过核基质或层粘连蛋白固定在染色体的空间结构上。赫恩的研究结果否定了传统观念，即出芽酵母不含层粘连蛋白，支持复制原点自组装并形成复制焦点。

通过刺激复制起点，在空间和时间上控制复制焦点的形成。Jackson等人(1998)揭示了哺乳动物细胞中相邻起源的同时起始。复制位点的空间并置导致了复制分叉的集群。集群确实保存了停滞的复制叉，并促进了复制叉的正常进程。复制分岔的进展受到多种因素的抑制。与与DNA紧密结合的蛋白质或复合物发生碰撞，缺乏dNTPs，模板DNA缺失等。如果复制分叉被停止，并且停止的分叉中的剩余序列没有被复制，子链将获得未复制的位点。母链上未复制的位点连接其他链，而不是子链。因此，产生的姐妹染色单体不能彼此分离或分裂成两个子细胞。当相邻的起始点被启动并且一个起始点的复制分支被停止时，另一个起始点的复制分支从停止复制分支的相反方向进入并复制未复制的站点。作为另一种拯救机制，有休眠复制起始点的应用，即在正常DNA复制中不触发的冗余起始点。

大多数细菌没有经过一个明确的细胞周期，而是不断地复制它们的DNA。在快速增长期间，这可能导致多轮复制同时发生。在最典型的细菌大肠杆菌中，DNA复制受几种机制的调控，包括：起始序列的半甲基化和隔离，三磷酸腺苷与二磷酸腺苷的比例，以及DNA蛋白的水平。所有这些都控制起始蛋白与起始序列的结合。

由于大肠杆菌甲基化GATC基因序列，基因合成导致半甲基化序列。这种半甲基化的DNA被SEqa蛋白识别，它结合并分离原始序列；此外，DNA(启动复制所必需的)与半甲基化DNA的结合很差。因此，新复制的起点被阻止立即开始另一轮DNA复制。

当细胞处于丰富的培养基中时，三磷酸腺苷会积累，一旦细胞达到特定的大小，就会引发DNA的复制。三磷酸腺苷与二磷酸腺苷竞争结合dna, dna - atp复合体可以启动复制。DNA复制也需要一定数量的DNA——每次复制开始时，DNA结合位点的数量都会增加一倍，需要合成更多的DNA才能再次开始复制。

在大肠杆菌等快速生长的细菌中，染色体复制比细胞分裂需要更多的时间。细菌通过在前一轮复制结束前启动新一轮复制来解决这个问题。新的复制将在细胞分裂后形成两代新的细胞染色体。这种机制创造了复制周期的重复。

当前位置研究人员通常使用聚合酶链反应(PCR)在体外复制DNA。聚合酶链式反应使用一对引物在模板DNA中跨越特定区域，然后使用热稳定的DNA聚合酶从这些引物中向各个方向聚合成对链。通过多次重复这个过程，目标DNA区域可以被扩增。在每个循环的开始，将模板和引物的混合物加热以分离新合成的分子和模板。然后，随着混合物冷却，两者都成为新引物退火的模板，聚合酶从引物延伸出来。结果，目标区域的副本数量每轮翻一番，呈指数增长。

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