複製發生在哪裡
在上一篇指南裡，你看到了 DNA *是*以半保留方式被複製的——每條舊鏈都成為合成新夥伴的模板——也看到了梅塞爾森和斯塔爾如何僅憑一台離心機和兩種氮，就把這件事證明了。那告訴了你這筆帳：每條子代螺旋等於一條舊鏈加一條新鏈。但它沒告訴你，在這條長長的分子裡，複製究竟從*哪裡*開始，也沒告訴你細胞*如何*把一條纏得緊緊的雙螺旋實實在在地拉開，並為每一側寫出一份忠實的副本。這正是本篇要講的。
複製並非隨便從哪兒都能開始。它從 DNA 中被標記好的特定位點起步，這些位點叫[[molbio-origin-of-replication|複製起點]]——可以把它們看作寫在序列裡的官方「從這裡開始複製」的標誌。複製起點是一段特定的 DNA，常富含 A-T 鹼基對。為什麼是 A-T？回想化學那幾級講過的：A-T 對只靠兩個氫鍵相連，而 G-C 對有三個，所以富含 A-T 的 DNA 是最容易把兩條鏈撬開的地方。起始蛋白識別起點，把一小段區域強行打開，再召來其餘的機器。
一旦一小段區域被打開，複製不會只朝一個方向慢慢爬開——它會*同時*向兩邊鋪展，就像從夾克中間某一點把拉鏈拉開。這個張開的缺口就是複製泡，在它兩端各有一個移動的 Y 形交界處，那裡「仍閉合」遇上「已張開」。每個交界處就是一個[[molbio-replication-fork|複製叉]]，而複製叉正是真正的工地：親本螺旋在此裂成兩條單鏈，複製也在此完成。在顯微鏡下，小的複製泡看起來像 DNA 上一隻張開的眼睛，因此有時被稱為複製眼。
認識複製體
複製 DNA 不是一個孤零零的酶的活兒。在每個複製叉處，完成這項工作所需的全部蛋白質匯集成一個龐大而協調的複合體，沿 DNA 一同移動。這整台分子機器就是[[replisome|複製體]]——可以把它想像成停靠在每個複製叉處的一座移動工廠，以嚴密編排的同一套動作解旋、加引物、複製並校對。在細菌中，它以每秒數百乃至一千以上個鹼基的速度前進。它的組成部分從細菌到人類在大輪廓上是保守的，儘管具體的蛋白有所不同。
在按順序逐一講解之前，先按各自的職責認識一下這支隊伍會很有幫助。最尖端跑著那個解鏈者。緊隨其後，有蛋白包裹住剛剛裸露出來的單鏈，使它們無法重新合攏。在複製叉的前方，另有一種酶不斷緩解扭轉張力。而在交界處，一種酶寫下起始物，另一種酶把它延伸成真正的新鏈。五項工作，五類機器。我們一個一個來看。
打開螺旋，並讓它保持張開
在複製叉處的頭一項工作，就是把兩條鏈揭開，完成這件事的酶是[[dna-helicase|DNA 解旋酶]]。它通常是一種環狀蛋白，常由六個亞基組成，套在兩條鏈中的一條上。它依靠細胞的ATP 能量貨幣提供動力，沿那條鏈拉動自己前進，像一個移動的楔子一樣在前進中把兩條鏈強行分開——打斷配對鹼基之間的氫鍵。它跑在複製叉的最尖端、一路領先，使後方的聚合酶始終有單鏈模板可讀。（要小心區分一點：解旋酶只打斷鹼基對的氫鍵，從不切斷糖-磷酸骨架。）
但剛被分開的單鏈就像被揭開的魔術貼：兩半總想立刻重新黏回去。若不加干預，解開的單鏈會重新配對，或折疊回去與自身配對而纏成髮夾結構。所以解旋酶一打開螺旋，許多份[[molbio-single-strand-binding-protein|單鏈結合蛋白]]（細菌中稱 SSB；真核中對應的是 RPA）就立刻包裹住裸露的單鏈。它們結合任何單鏈 DNA 而不論其序列——其職責純粹是結構性的——讓模板保持張開、拉直、不纏繞，直到聚合酶趕到，並保護它免受會咬碎游離單鏈 DNA 的酶的侵害。
這一切解旋背後還藏著一筆機械帳。試著從中間把一條擰得很緊的繩子的兩股分開：你手*前方*的那段繩子會越擰越緊，直到你幾乎再也拉不動。DNA 正有這個問題——當解旋酶打開螺旋時，複製叉前方仍配對的 DNA 會過度纏繞成超螺旋。緩解這種張力的酶就是[[topoisomerase-gyrase|拓撲異構酶]]（在細菌中，有一類叫 DNA 促旋酶）。它們的工作方式是暫時切斷骨架——切一條鏈或兩條鏈都切——讓 DNA 繞過或穿過這個切口以釋放張力，然後再完美地把它封回去。沒有它們，複製叉會在幾秒內停擺。
書寫新鏈：先引物，再聚合酶
現在兩條鏈已經張開、被撐分——可複製的核心酶卻有個奇怪的局限。[[dna-polymerase-replicative|DNA 聚合酶]]這個構建新鏈的工人，只能*接續*一條已有的鏈；它無法從零開始一條新鏈。這就像一台印表機，可以不斷往一疊紙上加頁，卻無法放下最開頭的那一頁。所以必須有別的東西先寫下最初的幾個字母。這就是[[primase-and-rna-primer|引物酶]]的活兒——它是一種特殊的 RNA 聚合酶，*能*在裸露的模板上從頭起始。它鋪下一小段 RNA——通常約十個核苷酸——與 DNA 互補，這個小小的 RNA 引物便為 DNA 聚合酶提供了它起始所需的游離 3' 端。
fork tip --> [helicase] unzips the helix
|
3'-...T A C G...-5' parent template (read 3'->5')
| primase lays a short RNA starter:
5'- A U G C ... <- RNA primer (note U, not T)
| DNA polymerase extends it 5'->3' in DNA:
5'- A U G C T A G ... primer (RNA) + new DNA strand
topoisomerase works AHEAD; SSB coats the bare strands behind引物就位後，DNA 聚合酶接手，而它遵守兩條嚴格的規則，這兩條規則悄悄塑造了複製的一切。第一，它只能把核苷酸加到正在延長的鏈的 3' 端，所以新鏈總是沿 5' 到 3' 方向生長（而模板被按 3' 到 5' 方向讀取）。第二，它不能起始一條鏈——它必須延伸一個引物。每走一步，它選出其鹼基能與模板正確配對的核苷酸（A 對 T，G 對 C），把它接上去，然後繼續前行。許多複製型聚合酶還自帶校對功能：一個 3' 到 5' 方向的外切酶，能倒回去剪掉錯誤的鹼基再重試，這正是錯誤得以稀少到幾乎可以忽略的頭一個重要原因。（為什麼用 *RNA* 引物而不用 DNA？因為用 RNA 可把這些起始序列標記為臨時的；它們隨後會被移除、缺口用 DNA 填補、接縫被封合——這條線索留待下一篇。）
這支隊伍，按順序
值得把整套流程按它在一個移動複製叉處發生的順序走一遍。每一步都依賴於前一步，這正是為什麼複製體把所有這些機器捆在一起、而不是散落各處的原因。
- 拓撲異構酶／促旋酶在複製叉前方工作，切斷並重新封合骨架，把扭轉張力洩掉，免得它卡住解旋酶。
- 解旋酶騎在複製叉尖端，打斷鹼基對的氫鍵，把親本螺旋劈成兩條單鏈。
- 單鏈結合蛋白立刻包裹裸露的單鏈，使它們無法重新配對或自我折疊。
- 引物酶在暴露的模板上鋪下一小段 RNA 引物，提供一個可供延伸的游離 3' 端。
- DNA 聚合酶沿 5' 到 3' 方向延伸引物，逐個加上配對的核苷酸並邊走邊校對——構建出忠實的新鏈。
有一處微妙之處值得誠實點出：這幅整齊的「單列縱隊」圖景是一種簡化。兩條鏈反向平行，所以同一個複製叉必須同時用兩種不同的方式複製它們——一條順暢地複製，另一條以倒針縫合般的片段複製——而那兩條聚合酶其實被維繫在同一個複合體裡，那條彆扭的鏈被認為會環出，使兩條新鏈都能在複製叉前進的同一方向上構建。這種不對稱，也就是前導鏈與後隨鏈，正是下一篇的全部主題；在這裡，只需記住一點：是同一台機器同時幹了這兩份活兒。
一個起點還是上千個？規模的問題
最後還有一個極其重要的差別，它直接源自你早先認識過的原核—真核之分。像大腸桿菌這樣的細菌只有一條環狀染色體，上面只有*一個*起點，叫 oriC。兩個複製叉從它出發，沿相反方向繞著這個環飛奔，在另一側的終止區相遇——整個 460 萬鹼基對的基因組就此複製完成。對一個小環來說，一個起點綽綽有餘。
一個人類細胞則是規模完全不同的難題：約 60 億鹼基對，分布在許多條又長又線性的染色體上，而這一切必須在一個細胞週期階段的那幾個小時內完成複製。如果讓單個複製叉從頭到尾走完一整條人類染色體，得花上好幾個星期。所以真核生物會沿每條染色體點亮*成千上萬個*起點，一波波先後啟動，複製泡不斷長大，相鄰的複製叉最終相遇並融合，直到整個基因組複製完成。多起點不是奢侈——它是被純粹的體量逼出來的必需。
這裡有個細微之處要誠實說明：細菌的起點是清晰、定義明確的序列，但在許多真核生物中——尤其哺乳動物——一個起點更多是由其染色質環境、而非嚴格的 DNA 序列來界定的，每個起點究竟在何處、何時啟動，仍是一個活躍的研究問題。但有一點是確鑿無疑的，那就是控制邏輯：一個細胞每個週期必須把基因組複製一次且僅一次。每個起點在每個細胞週期裡只被「授權」啟動一次，而這種授權只在分裂之後才被重置——這是防止任何區段被複製兩次的保險。起點的誤啟動或重複啟動會使基因組的某些部分被多複製或少複製，這正是癌症中所見基因組不穩定的標誌。