DNA复制是细胞在细胞分裂前复制其基因组的过程，确保每个子细胞接收遗传物质的相同副本。这个过程是半保守的，这意味着每个新的 DNA 分子都由一条原始链和一条新合成的链组成。这一原理也是 PCR 的基础，PCR 是一种用于扩增特定 DNA 序列的技术。

复制的起源

复制从称为复制起点的特定序列开始。在大肠杆菌中，单一起源称为 oriC，这是一个包含 DnaA 盒序列和富含 AT 重复序列的 245 个碱基对区域。起始蛋白 DnaA 与这些序列结合，导致富含 AT 的区域局部解链。真核染色体包含多个复制起点，间隔大约每 30 到 100 千碱基。许可系统通过在 G1 期加载 Mcm 解旋酶复合物，确保每个起点在每个细胞周期仅激发一次。

复制叉

一旦DNA被打开，复制机器就会在复制叉处组装。 DNA 解旋酶解旋双螺旋，细菌中使用 DnaB，真核生物中包含包含 Mcm2-7 的 CMG 复合物。单链结合蛋白覆盖暴露的链，防止重新退火并保护它们免受核酸酶的影响。拓扑异构酶可缓解前叉前松开所产生的扭转应力。

DNA 聚合酶

DNA 聚合酶催化将核苷酸添加到正在生长的 DNA 链的 3 引物末端，需要模板和带有游离 3 引物羟基的引物。它们总是以 5 素数到 3 素数方向合成，并且不能从头开始合成。大肠杆菌有五种 DNA 聚合酶，其中 Pol III 是主要的复制酶。真核生物至少有 15 个，其中 Pol δ 和 Pol epsilon 分别负责滞后链和前导链的合成。

前导链和滞后链合成

由于 DNA 聚合酶只能以 5 素数到 3 素数方向合成，因此两条链的复制方式不同。前导链以与叉运动相同的方向连续合成，仅需要一个引物。滞后链以称为冈崎片段的短片段不连续地合成，每个片段都需要新的引物。在真核生物中，冈崎片段的长度约为 100 至 200 个核苷酸。 Primase 是一种特殊的 RNA 聚合酶，可合成约 10 个核苷酸的短 RNA 引物。

引物去除和连接

必须去除滞后链上的 RNA 引物并用 DNA 替换。在细菌中，DNA 聚合酶 I 通过其 5 引物至 3 引物核酸外切酶活性去除 RNA 引物并填补空白。在真核生物中，RNase H 会去除大部分引物，FEN1 核酸酶会去除最后的核糖核苷酸。 DNA 连接酶密封相邻片段之间的切口，消耗细菌中的 NAD+ 或真核生物和古细菌中的 ATP。 [限制性内切酶消化](/guides/restriction-enzyme-digestion.html) 生成可在分子克隆中通过 DNA 连接酶连接的兼容片段。

复制保真度

DNA 复制具有极高的准确性，错误率约为每 10^10 个核苷酸 1 个错误。这种保真度源自三种机制。首先，DNA 聚合酶具有高几何选择性，可在掺入过程中识别错误的碱基配对。其次，复制聚合酶的 3-prime 到 5-prime 核酸外切酶活性可校对新添加的碱基，立即消除不匹配。第三，复制后不匹配修复可以纠正无法校对的错误。错配修复缺陷会导致微卫星不稳定并易患遗传性非息肉病性结直肠癌。

端粒复制

线性真核染色体的末端会带来一个特殊的问题，因为 DNA 聚合酶无法复制滞后链的末端。端粒是染色体末端的重复 DNA 序列，由端粒酶延伸，端粒酶是一种携带自己的 RNA 模板的特殊逆转录酶。端粒酶在人类体内添加 TTAGGG 重复序列，防止逐渐缩短。端粒酶在生殖细胞、干细胞和大多数癌细胞中都很活跃，而体细胞缺乏端粒酶，每次分裂时端粒都会缩短，从而导致细胞衰老。