冈崎令治与DNA的半不连续复制

梅塞尔森和凯恩斯等人证实了DNA的半保留复制机制。但是，关于DNA链延伸的具体机制，还存在一个“延伸方向悖论”，即所有DNA聚合酶均以5’-3’方向合成，而实验观察中两条反向平行的DNA链又都是连续延伸的。也就是说，下面的两个模型都缺乏实验支持。

DNA链延伸的两种模型。Proc Jpn Acad Ser B Phys Biol Sci. 2017

解决这个问题的是名古屋大学的冈崎夫妇，冈崎令治（Reiji Okazaki）和冈崎恒子（Tsuneko Okazaki）。他们曾在科恩伯格实验室学习，回国后将复制方向问题作为自己的研究主题。冈崎认为，DNA复制过程中可能形成了很多较短的DNA片段，但用宏观方法难以分辨。比如放射自显影的每个颗粒对应的核酸片段其实大于1000个核苷酸，难以发现不连续的小片段。所以必须建立微观的、核苷酸水平的实验体系。

冈崎夫妇在实验室。引自百度百科

他们用放射性元素氚标记胸苷，在很短的时间内进行复制，以控制其仅在DNA链的末端掺入少数几个放射性核苷酸，即脉冲标记。经过计算，如果在37℃下合成，时间必须小于0.1秒才行，显然无法达成。所以他们采用了低温脉冲合成方法，在低温（20℃或更低）条件下将细菌暴露于氚标记的胸苷数秒，终于发现了长度为仅1,000-2,000个核苷酸的DNA片段（后来称为冈崎片段）。

当脉冲标记时间延长，放射性会从短的DNA片段转移到较长的DNA链。而对DNA连接酶的抑制会导致冈崎片段的积累。这些发现提示了DNA的不连续复制机制。1968年，冈崎令治应邀参加冷泉港研讨会，提出了DNA的不连续复制模型。

冈崎令治在冷泉港研讨会介绍不连续复制机制。Proc Jpn Acad Ser B Phys Biol Sci. 2017

冈崎夫妇还发现冈崎片段合成需要RNA引物，以及前导链的连续复制等。可惜的是，冈崎令治在广岛读高中时遭遇原子弹辐射，1975年死于白血病，享年44岁。之后恒子继续研究，最终建立了半不连续复制（semi-discontinuous replication）模型。

在模型中，一条子代DNA链与复制叉同向，由5’向3’方向连续复制，称为前导链（leading strand）；另一条链的延伸方向与复制叉相反，形成许多不连续的冈崎片段（Okazaki fragment），最后由DNA连接酶拼接成完整的DNA，称为滞后链（lagging strand）。

冈崎的半不连续复制模型。Proc Jpn Acad Ser B Phys Biol Sci. 2017

图中模板DNA上的点表示引物RNA合成的起始信号序列。他们鉴定了模板DNA上的引物合成信号序列，并绘制在图中。结果表明，引物信号多于冈崎片段数。这说明在复制时可以选择不同的信号序列，具有一定的灵活性，也有助于复制不留空隙。

从半不连续模型上看，似乎前导链和滞后链是由两个酶分别合成，前进方向相反。但其实它们是由一个双核心的pol III复合物催化的，两条链前进的方向是相同的。这就是布鲁斯·阿尔伯茨（Bruce Alberts）提出的 “长号” DNA循环模型（Trombone model）。

滞后链合成的长号模型。Mol Cell. 2006

模型中，滞后链解链后的ssDNA回折，形成一段DNA环。回折后的滞后链即可与前导链同时被pol III的两个核心分别催化。滞后链的延伸使DNA环不断伸长。当这个冈崎片段合成完毕，核心酶会转移到新的RNA引物处，合成下一个冈崎片段，DNA环又变短。这样，DNA环周期性伸缩，恰似长号演奏的情景。

长号，引自百度图片

大肠杆菌复制叉移动速度约为每秒1 kb，冈崎片段长度为1-2 kb ，因此这个“长号”的伸缩周期只有几秒钟，催化滞后链的核心酶也需要不断转移。引发酶（DnaG）合成新的引物后，被钳加载器（clamp loader）识别，并在杂合双链处加载新的滑动钳。然后核心酶与原来的滑动钳解离，转移到新的滑动钳上，开始新的冈崎片段合成。

大肠杆菌复制体结构。Cell Cycle. 2009

长号模型也适用于真核生物，但具体细节有所不同。真核的活性解旋酶是CMG（Cdc45、Mcm2-7和GINS复合物），滑动钳是PCNA，钳加载器是RFC（复制因子C）。真核的一个显著特点是前导链与滞后链的复制酶不同，前导链用Polε，滞后链用Polδ。

真核复制体结构模型。Annu Rev Biochem. 2017

Polα作为引发酶，合成引物并延伸约20-30个核苷酸。RFC识别引物并加载滑动夹PCNA。之后由聚合酶δ和ε进行合成。真核复制叉的移动速度大约为每分钟1-2 Kb。

参考文献：

1. Tsuneko Okazaki. Days weaving the lagging strand synthesis of DNA - A personal recollection of the discovery of Okazaki fragments and studies on discontinuous replication mechanism. Proc Jpn Acad Ser B Phys Biol Sci. 2017;93(5):322-338.

2. Lance D Langston, et al. DNA replication: keep moving and don't mind the gap. Mol Cell. 2006 Jul 21;23(2):155-60.

3. Lance D Langston, et al. Whither the replisome: emerging perspectives on the dynamic nature of the DNA replication machinery. Cell Cycle. 2009 Sep 1;8(17):2686-91.

4. Peter M J Burgers, et al. Eukaryotic DNA Replication Fork. Annu Rev Biochem. 2017 Jun 20;86:417-438.