同一個複製叉，兩份截然不同的活兒
工地你已經認識了。在本級階梯前面幾篇指南裡，你看著複製叉像拉鏈一樣張開，解旋酶解開螺旋，引物酶鋪下短短的 RNA 引物。而從核酸那一級階梯，你帶著一個在這裡極其要緊的事實：兩條親本鏈是反平行的——它們朝相反的方向延伸，就像兩條相向行駛的車道。這一篇要講的，正是當這兩件事撞到一起時會發生什麼。
謎題在這裡。一個複製叉一次就暴露出兩條單鏈模板，而隨著複製叉前進，兩條都得被複製。你大概會以為細胞乾脆用同樣的方式合成兩條新鏈，讓兩個聚合酶都隨著複製叉張開向前跑。它做不到。其中一條新鏈——前導鏈——確實能朝著複製叉一氣呵成、連續地合成。另一條——後隨鏈——卻必須倒著合成，拼成一串短片段，還要折騰不少額外的功夫。同一個複製叉、同樣的酶，卻是兩套完全不同的作業方式。為什麼？
迫使一切發生的那一條規則
答案並不是生物學裡本可以另作安排的怪癖——它是化學迫使的。你在上一篇裡認識的複製型 DNA 聚合酶遵守兩條鐵律。第一，它只能把新核苷酸加到正在生長的鏈的游離 3′ 端，所以新鏈只能沿 5′ 到 3′ 的方向生長。第二，它無法從無到有地起頭一條鏈；它必須延伸某個已有引物的 3′ 端。把這兩條規則鎖在一起，整個前導/後隨的故事便順理成章地推導出來，再沒有別的選擇餘地。
為什麼聚合酶只能 5′ 到 3′ 地生長？歸根結底在於成鍵的能量存在哪裡。每個進來的構件都是帶著三個磷酸的核苷酸（dNTP），而鍛造骨架連接的能量，就儲存在*進來的*那個核苷酸的這些磷酸裡。鏈上游離的 3′-OH 進攻那個被激活的磷酸，鍵扣合上，釋放出兩個磷酸。所以高能基團永遠在 3′ 端正被加上的*新*片段上。一條反著生長（3′ 到 5′）的鏈，就得把能量一直留在鏈的*舊*端——而那種把錯誤鹼基從 3′ 端修剪掉的校對，屆時就會摧毀它自己的能量來源。沿 5′ 到 3′ 合成，是唯一在化學上說得通的辦法。
前導鏈：只管跟著複製叉走
看複製叉處暴露出的兩條模板之一——那條方向按 3′ 到 5′ *伸入*正張開的複製叉的模板。在這條模板上，新鏈所需的 5′ 到 3′ 生長方向，恰好與複製叉移動的方向*相同*。於是聚合酶乾脆緊貼在解旋酶身後，鏈被揭開多快，它就朝著複製叉添加核苷酸多快。它起頭只需一個引物，此後再也不必停下。這條連續的鏈就是前導鏈——想像一支鋪路隊，緊跟在清路機器後面鋪出一條不間斷的路帶。
但「連續」只有在聚合酶能掛住很久的前提下才成立。任其自便的話，複製型聚合酶加上寥寥幾個核苷酸就會從 DNA 上脫落——這遠遠不夠複製完整條染色體臂。解決之道是一個漂亮的小裝置：滑動鉗，一個甜甜圈形狀、完全環抱 DNA 的環，把聚合酶卡在它上面。被鉗繫住後，酶的「抓握力」——也就是持續合成能力——一口氣從幾個鹼基躍升到數萬個。由於鉗是個閉合的環，無法自行套上去；另有一台由 ATP 驅動的鉗載體把它撐開，在引物處套在 DNA 周圍，再啪地合上。在前導鏈上，裝上一次的一個鉗，就能載著聚合酶走很遠很遠。
後隨鏈：一邊倒退著走，一邊往前縫
現在看同一個複製叉處的另一條模板。這條模板方向相反（它按 5′ 到 3′ 伸入複製叉），所以對著它合成的新鏈，本該 5′ 到 3′ 地*背離*複製叉生長——朝著複製已經完成的那一頭退回去。在這條鏈上，聚合酶無法朝複製叉跑；那意味著 3′ 到 5′ 地生長，而它斷然拒絕這樣做。於是細胞耍了個巧妙的花招。它等複製叉張開一小片新模板，就把那一小片*倒著*複製，朝先前已完工的 DNA 方向，短促地衝一陣。然後等更多模板暴露，再來一次。結果就是後隨鏈：一條走走停停、由一排短片段拼成的鏈。
這些短片段中的每一段都是一個[[molbio-okazaki-fragment|岡崎片段]]，得名於最早找到其證據的岡崎令治與岡崎恒子。關鍵在於，每一段*仍然*是 5′ 到 3′ 合成的——聚合酶從不破壞自己的規則。後隨鏈之所以*看起來*在倒著生長，只是因為它由許多正著合成的片段縫合而成，而每一段都朝著前一段往回指。在細菌裡，這些片段大約有 1000 到 2000 個核苷酸長；在真核生物裡要短得多，約 100 到 200 個，大致是纏繞在一個核小體上的 DNA 長度。一條正在複製的染色體可以產生數以百萬計的片段。
收尾：移除引物、填補缺口、封合切口
一條未經處理的後隨鏈還不是完工的 DNA。別忘了，每個岡崎片段都以引物酶給的一小段 RNA 引物開頭——所以這條新鏈是一塊由 DNA 片段拼成的拼布，每一片的前端都頂著一小段 RNA，相鄰片段之間還留著微小的斷口。有三個步驟把這塊拼布變成一條乾淨、連續的 DNA 鏈，而它們在每個接合處反覆進行。
- 移除 RNA。當一個片段被向前延伸、抵達它前方較舊的片段時，那個較舊片段的 RNA 引物被剝除（細菌中由 DNA 聚合酶 I 完成，真核生物中由專門的核酸酶完成）。完工的 DNA 裡不允許殘留任何 RNA。
- 用 DNA 填補缺口。同一步驟把被切除的 RNA 替換成正經的 DNA 核苷酸，仍是 5′ 到 3′ 地合成，於是被移除的引物所留下的缺口，用正確的鹼基補上了。
- 封合切口。即便缺口填好了，兩個片段之間仍缺一個骨架鍵——這一處單獨的斷點叫切口。DNA 連接酶鍛造上這最後一個磷酸二酯鍵，把兩段熔接成一段。在每個接合處重複，整條後隨鏈便變得天衣無縫。
最後那個酶值得單獨聚一束光。[[molbio-dna-ligase|DNA 連接酶]]是細胞的灰漿：它通過形成單一的磷酸二酯鍵來連接一個切口，而這正是維繫骨架其餘部分的那同一種連接。一處值得記住的誠實區分：連接酶封合的是*切口*（缺一個鍵），但它無法跨接還缺著核苷酸的真正*缺口*——缺口必須先用 DNA 填好，連接酶才能收尾。順帶一提，同一種酶也是實驗室裡的主力：正是它把切下的基因黏進載體，製造出重組 DNA。
一台機器，同時管兩條鏈——以及幾點誠實的提醒
下面這部分應該讓你挑一下眉毛。前導鏈聚合酶和後隨鏈聚合酶並不是兩個各自朝相反方向溜達的獨行工人——它們被維繫在*同一台*協調一致、隨複製叉一起移動的機器裡。可是一個複合體怎麼能同時把一條鏈朝複製叉合成、把另一條背離複製叉合成呢？主流模型是「長號」圖景：後隨鏈模板被環出，形成一個不斷增大的環，這樣在局部，它的聚合酶也能朝著與複製叉移動相同的方向。每當一個岡崎片段完成，這個環就被釋放、再起一個新環——環忽長忽縮，就像長號的滑管，名字便由此而來。
留意一下後隨鏈需要多出多少機械。前導鏈只要一個引物、一個鉗，便一路跑下去。後隨鏈卻需要引物酶一次次啟動、每個片段都重新裝一個鉗、在每個接合處移除引物並填補缺口，還要連接酶封合每一個切口。這些都不是多餘的複雜或拙劣的設計——它不過是細胞為了把反平行的雙螺旋和一個只朝單一方向工作的聚合酶湊到一起，而不得不付的帳單。這個不對稱是被*迫使*的，而不是被選擇的。
在你繼續向上攀登之前，有兩點誠實的提醒。其一，「前導」與「後隨」是相對於*某一個*複製叉而言的標籤。一個複製泡有兩個朝相反方向前進的複製叉，所以一條鏈在一個複製叉處是前導鏈，在另一個複製叉處就是後隨鏈——這些標籤是局部的，並非整條鏈的固定屬性。其二，長號模型是我們目前最好的圖景，證據充分卻仍是一個活躍的領域，單分子實驗不斷在精煉其中的細節；把它當作一個有力的工作模型，而不是已經定案的結論。帶著這些保留，你如今已經握住了複製之所以不對稱的真正原因——也已經準備好去問下一個問題：細胞究竟是怎樣把這一切複製得如此驚人地*準確*的。