DNA复制的起始机制
复制子模型的提出者，弗朗索瓦·雅各布（Francois Jacob）是法国细菌遗传学家，分子生物学奠基人之一。他最重要的贡献是提出操纵子模型，为此荣获1965年诺贝尔生理学或医学奖。
弗朗索瓦·雅各布。引自诺贝尔基金会档案虽然不同生物中的复制基因和起始蛋白等会有很大差异，但DNA复制的起始过程都符合识别复制起点-加载解旋酶-组装复制体这个基本程序。
复制起点的识别由起始蛋白负责。细菌的起始蛋白是DnaA，含有HTH（螺旋-转角-螺旋）DNA结合结构域和AAA +（与多种细胞活性相关的ATPase）结构域。与之相应，复制起点（oriC）中含有多个DnaA box，可以被HTH结构域识别并结合。DUE是DNA解链元件（DNA unwinding element），富含AT，易于打开双螺旋结构。DnaA-trios是三联体重复序列，可与DnaA的AAA +结构域相互作用，有助于解链。
细菌的复制起点识别。PLoS Genet. 2019对于DnaA与oriC相互作用的具体过程，目前有不同的模型，如two-state model与loop-back model。总之，二者的相互作用使DUE区解链，然后才能将解旋酶（DnaB）募集到单链DNA上，进入第二阶段。
真核生物的起始蛋白是起点识别复合物（ORC），由6个亚基（Orc1-6）构成。此外，还有辅助因子Cdc6和Cdt1。复合物中具有类似原核起始蛋白的AAA+与WH（winged helix，有翼螺旋）结构域，后者具有DNA结合功能。
不同物种的ORC结构。Curr Opin Struct Biol. 2018真核生物的复制起点称为自主复制序列（ARS），其中包含一个保守的ARS共识序列ACS。ORC通过AAA +域的起始蛋白特异性基序（ISM）与DNA的磷酸核糖骨架结合，WH域通过一个进入DNA大沟的β-发夹motif结合DNA。这些作用在DNA离开ORC的中央通道时使其弯曲，有助于解旋酶Mcm2-7的装载。
ORC与真核复制起点的识别。Curr Opin Struct Biol. 2019在DNA复制过程中解开双螺旋结构的酶称为复制解旋酶（replicative helicase），本文中简称为解旋酶。它通过ATP水解提供能量，断裂双链间的氢键。原核生物的解旋酶是DnaB，真核生物是Mcm2-7（minichromosome maintenance protein，微染色体维持蛋白）复合物。
两类解旋酶都由两个六聚体环构成，DNA从环中穿过。解旋酶结合到DNA上的过程称为加载（load）。原核生物的解旋酶是以活性形式加载的，结合在单链DNA上；真核解旋酶以非活性形式加载到双链DNA上，要下一阶段才会被激活。
原核与真核生物的解旋酶加载。Nucleus. 2016在G1期的早期，ORC将CDC6和CDT1募集到复制起点，随后加载MCM2-7，再将CDC6和CDT1从染色质中释放出来，以防止MCM2-7重新加载，保证每个细胞周期只复制一次。在S期， CDC45和DNA复制复合物Go-Ichi-Ni-San（GINS）与MCM2-7六聚体结合形成CDC45 / MCM2-7 / GINS（CMG）复合物，激活MCM的解旋酶活性。
真核生物中DNA复制的起始。Crit Rev Biochem Mol Biol. 2017在复制过程中需要用到很多蛋白，它们组合成一个庞大、复杂的复合体，称为复制体。复制体的核心是解旋酶，沿着单链DNA（ssDNA）移动，不断解开双链。
病毒、细菌与真核生物的复制体。Biophys Rev. 2019新生的ssDNA需要与某种蛋白结合，以防重新生成双链或降解等。这种蛋白在细菌中称为单链DNA结合蛋白（single-stranded DNA-binding protein，SSB），在T7噬菌体中称为基因产物2.5（gene product 2.5，gp2.5），在真核生物中称为复制蛋白A（replication protein A，RPA）。有时也将其统称为SSB。
除了保护ssDNA外，SSB还可以发挥重要的调控作用。例如在复制叉因意外而停滞时，RPA会被磷酸化，然后募集修复因子，从而稳定复制叉。这种机制的异常会导致复制叉容易崩溃，增加突变率。
RPA磷酸化保护复制叉稳定性。J Cell Biol. 2014Primase是引发酶，用于合成RNA引物。T7噬菌体的引发酶是gp4，引物由2-4个核糖核苷酸组成。大肠杆菌引发酶是DnaG，合成26–29 个核苷酸的RNA引物。
真核生物的引物约9-11个核苷酸，引发酶由DNA聚合酶α（Polα）“兼任”。Polα是高度保守的异四聚体复合物，具有两个催化活性：最小的p48亚基（Pri1）中的具有primase活性，最大的p180亚基（Pol1）具有聚合酶活性，另外两个亚基是调节亚基。关于各种聚合酶的具体作用将在下一篇文章讨论。
增殖细胞核抗原（PCNA）最初被称为DNA滑动夹（DNA sliding clamp），认为它的作用是提高聚合酶的效率。随后的研究表明，它可与多种分子相互作用，从而参与多种代谢途径，包括DNA的复制与修复、DNA甲基化、染色质重塑和细胞周期调控等。
PCNA介导聚合酶转换绕过复制障碍。Biophys Rev. 2019Langston等人提出了一种机制，解释复制体如何绕过模板上的障碍进行复制。在此途径中，遇到障碍的Polε会失速并与DNA和PCNA解离，PCNA募集低保真的竞争性跨障碍合成（TLS）聚合酶，从而合成跨障碍的核苷酸。同时，Polε通过与GINS相互作用保留在复制叉上，通过障碍后再替换TLS聚合酶，继续正常复制。
参考文献：
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