冈崎片段(Okazaki fragment)是相对较短的DNA核苷酸序列(
真核生物中大约有150到200个
碱基对长),它们的合成是不连续的,并随后通过
DNA连接酶连接在一起,形成
DNA复制过程中的
滞后链。冈崎片段是20世纪60年代两位日本分子
生物学家、
名古屋大学的一对校友夫妇
冈崎令治和
冈崎恒子共同发现的。
因为所有已知
DNA聚合酶合成方向均是5’到3’方向,不是3’到5’方向,而DNA的两条链是反向平行的,故在复制叉附近解开的DNA链,一条是5’到3’方向,另一条是3’到5’方向。那么如何解释DNA的两条链是同时进行复制的呢?日本
名古屋大学的一对校友夫妇
冈崎令治和
冈崎恒子于1968年用3H脱氧胸苷短时间标记
大肠杆菌,提取DNA,变性后用
超离心方法得到了许多3H标记的DNA小片段,这些短的DNA片段被后人称作冈崎片段。延长标记时间后,冈崎片段可转变为成熟DNA链,因此冈崎片段必然是DNA复制过程的
中间产物。
另一个用
DNA连接酶温度敏感突变株进行的试验同样证明了DNA复制过程中首先合成较小的片段。在
连接酶不起作用的温度下,发现有大量小DNA片段的积累,表明DNA复制过程中至少有一条链首先合成较短的片段,然后再由DNA连接酶链成
大分子DNA。
在
DNA复制过程中,双螺旋被解开,
互补链被
解旋酶分离,形成了所谓的DNA
复制叉。在这个分叉之后,
DNA引物酶和
DNA聚合酶开始起作用,合成一个新的互补链。因为这些酶只能在3'至5'方向上读取DNA,这意味着新链从5 '到3 '的方向上合成。由于两条DNA模板链在复制叉处的方向相反,实现两条链DNA的同时合成,这两条DNA模板链以不同的方式复制。
其中,
前导链(leading strand)是与复制叉移动方向相同的新DNA链,前导链的模板链具有5 '至3 '的
方向性,允许聚合酶沿着复制叉不间断地组装复制,所以前导链的复制是连续的。
而
滞后链(lagging strand)的复制是不连续的,因为它的模板链不具有5 '到3 '的方向性,这意味着聚合酶必须从复制叉向后工作,这导致后滞链的复制出现
周期性中断。
引物酶和聚合酶向叉的相反方向移动,所以当DNA解旋酶将链解开后,酶必须反复停止和重新开始复制。一旦新的片段形成,
DNA连接酶就把它们连接成一条连续的单链。整个复制过程被认为是“半不连续的”,因为其中一条新链是连续形成的,而另一条则不是。
原核生物和
真核生物的DNA复制过程和方式是一样的。
新合成的
DNA,即冈崎片段,由
DNA连接酶结合,形成新的DNA链。当
DNA合成时,会产生两条链。
前导链是
连续合成的,并在此过程中被延长,以便用于后滞链(冈崎片段)复制的模板能够暴露出来。在
DNA复制过程中,后滞链中的DNA和
RNA引物会被去除,方便与冈崎片段的结合。由于这个过程很常见,冈崎片段在完成一次DNA复制的过程中会成熟大约一百万次。冈崎片段的成熟需要RNA引物在需要连接的片段上合成新片段,即用于后滞链合成的基本单元。在
模板链上,
聚合酶将以与
复制叉相反的方向合成新链。一旦模板变得不连续了,就产生冈崎片段。冈崎片段成熟过程中的缺陷可能导致
DNA链断裂,并导致不同形式的
染色体异常。染色体的这些突变可以影响染色体的外观、
染色体组的数量或单个染色体的数量。由于每个特定物种的
染色体对都是固定的,所以它也能改变DNA并导致该物种基因库出现缺陷。
冈崎片段存在于
原核生物和
真核生物中。真核生物的
DNA分子不同于
原核生物的
环状分子,因为它们更大,通常有多个
复制起点。这意味着每个
真核细胞的染色体都是由许多具有多个复制起点的DNA复制单元组成的。相比之下,原核DNA只有一个复制起点。
原核生物和真核生物冈崎片段的长度也不同。原核生物的冈崎片段比真核生物的要长得多。真核生物的冈崎片段通常有100到200个
核苷酸长,而原核
大肠杆菌的片段可以有2000个核苷酸长。造成这种差异的原因尚不清楚。
原核细胞的复制发生在
细胞质内部,所有
复制子同时开始复制生成100到200多个核苷酸的冈崎片段。真核生物的DNA分子有大量的复制子,大约5万个或更多。但是,复制不会同时发生在所有复制子上。在真核生物中,DNA复制发生在
细胞核中。
原核细胞在结构上更简单,它们没有细胞核、
细胞器,只有很少的DNA,以单个染色体的形式存在。真核细胞具有
多细胞器的细胞核和较多排列在线性染色体中的DNA。此外,原核细胞和真核细胞的大小是另一个不同之处。真核细胞的DNA含量是原核细胞的25倍。原核细胞的复制比真核细胞快得多,细菌有时只需要40分钟,而
动物细胞则需要400分钟。
真核生物在其最后的一个染色体末端存在一个独特的复制
端粒的
操作子。原核生物的染色体是环状的,没有末端可以合成。原核生物的复制过程很短,而且是连续不断的。而真核细胞只在
细胞周期的S期进行DNA复制。