同一个复制叉，两份截然不同的活儿
工地你已经认识了。在本级阶梯前面几篇指南里，你看着复制叉像拉链一样张开，解旋酶解开螺旋，引物酶铺下短短的 RNA 引物。而从核酸那一级阶梯，你带着一个在这里极其要紧的事实：两条亲本链是反平行的——它们朝相反的方向延伸，就像两条相向行驶的车道。这一篇要讲的，正是当这两件事撞到一起时会发生什么。
谜题在这里。一个复制叉一次就暴露出两条单链模板，而随着复制叉前进，两条都得被复制。你大概会以为细胞干脆用同样的方式合成两条新链，让两个聚合酶都随着复制叉张开向前跑。它做不到。其中一条新链——前导链——确实能朝着复制叉一气呵成、连续地合成。另一条——后随链——却必须倒着合成，拼成一串短片段，还要折腾不少额外的功夫。同一个复制叉、同样的酶，却是两套完全不同的作业方式。为什么？
迫使一切发生的那一条规则
答案并不是生物学里本可以另作安排的怪癖——它是化学迫使的。你在上一篇里认识的复制型 DNA 聚合酶遵守两条铁律。第一，它只能把新核苷酸加到正在生长的链的游离 3′ 端，所以新链只能沿 5′ 到 3′ 的方向生长。第二，它无法从无到有地起头一条链；它必须延伸某个已有引物的 3′ 端。把这两条规则锁在一起，整个前导/后随的故事便顺理成章地推导出来，再没有别的选择余地。
为什么聚合酶只能 5′ 到 3′ 地生长？归根结底在于成键的能量存在哪里。每个进来的构件都是带着三个磷酸的核苷酸（dNTP），而锻造骨架连接的能量，就储存在*进来的*那个核苷酸的这些磷酸里。链上游离的 3′-OH 进攻那个被激活的磷酸，键扣合上，释放出两个磷酸。所以高能基团永远在 3′ 端正被加上的*新*片段上。一条反着生长（3′ 到 5′）的链，就得把能量一直留在链的*旧*端——而那种把错误碱基从 3′ 端修剪掉的校对，届时就会摧毁它自己的能量来源。沿 5′ 到 3′ 合成，是唯一在化学上说得通的办法。
前导链：只管跟着复制叉走
看复制叉处暴露出的两条模板之一——那条方向按 3′ 到 5′ *伸入*正张开的复制叉的模板。在这条模板上，新链所需的 5′ 到 3′ 生长方向，恰好与复制叉移动的方向*相同*。于是聚合酶干脆紧贴在解旋酶身后，链被揭开多快，它就朝着复制叉添加核苷酸多快。它起头只需一个引物，此后再也不必停下。这条连续的链就是前导链——想象一支铺路队，紧跟在清路机器后面铺出一条不间断的路带。
但“连续”只有在聚合酶能挂住很久的前提下才成立。任其自便的话，复制型聚合酶加上寥寥几个核苷酸就会从 DNA 上脱落——这远远不够复制完整条染色体臂。解决之道是一个漂亮的小装置：滑动钳，一个甜甜圈形状、完全环抱 DNA 的环，把聚合酶卡在它上面。被钳系住后，酶的“抓握力”——也就是持续合成能力——一口气从几个碱基跃升到数万个。由于钳是个闭合的环，无法自行套上去；另有一台由 ATP 驱动的钳载体把它撑开，在引物处套在 DNA 周围，再啪地合上。在前导链上，装上一次的一个钳，就能载着聚合酶走很远很远。
后随链：一边倒退着走，一边往前缝
现在看同一个复制叉处的另一条模板。这条模板方向相反（它按 5′ 到 3′ 伸入复制叉），所以对着它合成的新链，本该 5′ 到 3′ 地*背离*复制叉生长——朝着复制已经完成的那一头退回去。在这条链上，聚合酶无法朝复制叉跑；那意味着 3′ 到 5′ 地生长，而它断然拒绝这样做。于是细胞耍了个巧妙的花招。它等复制叉张开一小片新模板，就把那一小片*倒着*复制，朝先前已完工的 DNA 方向，短促地冲一阵。然后等更多模板暴露，再来一次。结果就是后随链：一条走走停停、由一排短片段拼成的链。
这些短片段中的每一段都是一个[[molbio-okazaki-fragment|冈崎片段]]，得名于最早找到其证据的冈崎令治与冈崎恒子。关键在于，每一段*仍然*是 5′ 到 3′ 合成的——聚合酶从不破坏自己的规则。后随链之所以*看起来*在倒着生长，只是因为它由许多正着合成的片段缝合而成，而每一段都朝着前一段往回指。在细菌里，这些片段大约有 1000 到 2000 个核苷酸长；在真核生物里要短得多，约 100 到 200 个，大致是缠绕在一个核小体上的 DNA 长度。一条正在复制的染色体可以产生数以百万计的片段。
收尾：移除引物、填补缺口、封合切口
一条未经处理的后随链还不是完工的 DNA。别忘了，每个冈崎片段都以引物酶给的一小段 RNA 引物开头——所以这条新链是一块由 DNA 片段拼成的拼布，每一片的前端都顶着一小段 RNA，相邻片段之间还留着微小的断口。有三个步骤把这块拼布变成一条干净、连续的 DNA 链，而它们在每个接合处反复进行。
- 移除 RNA。当一个片段被向前延伸、抵达它前方较旧的片段时，那个较旧片段的 RNA 引物被剥除（细菌中由 DNA 聚合酶 I 完成，真核生物中由专门的核酸酶完成）。完工的 DNA 里不允许残留任何 RNA。
- 用 DNA 填补缺口。同一步骤把被切除的 RNA 替换成正经的 DNA 核苷酸，仍是 5′ 到 3′ 地合成，于是被移除的引物所留下的缺口，用正确的碱基补上了。
- 封合切口。即便缺口填好了，两个片段之间仍缺一个骨架键——这一处单独的断点叫切口。DNA 连接酶锻造上这最后一个磷酸二酯键，把两段熔接成一段。在每个接合处重复，整条后随链便变得天衣无缝。
最后那个酶值得单独聚一束光。[[molbio-dna-ligase|DNA 连接酶]]是细胞的灰浆：它通过形成单一的磷酸二酯键来连接一个切口，而这正是维系骨架其余部分的那同一种连接。一处值得记住的诚实区分：连接酶封合的是*切口*（缺一个键），但它无法跨接还缺着核苷酸的真正*缺口*——缺口必须先用 DNA 填好，连接酶才能收尾。顺带一提，同一种酶也是实验室里的主力：正是它把切下的基因粘进载体，制造出重组 DNA。
一台机器，同时管两条链——以及几点诚实的提醒
下面这部分应该让你挑一下眉毛。前导链聚合酶和后随链聚合酶并不是两个各自朝相反方向溜达的独行工人——它们被维系在*同一台*协调一致、随复制叉一起移动的机器里。可是一个复合体怎么能同时把一条链朝复制叉合成、把另一条背离复制叉合成呢？主流模型是“长号”图景：后随链模板被环出，形成一个不断增大的环，这样在局部，它的聚合酶也能朝着与复制叉移动相同的方向。每当一个冈崎片段完成，这个环就被释放、再起一个新环——环忽长忽缩，就像长号的滑管，名字便由此而来。
留意一下后随链需要多出多少机械。前导链只要一个引物、一个钳，便一路跑下去。后随链却需要引物酶一次次启动、每个片段都重新装一个钳、在每个接合处移除引物并填补缺口，还要连接酶封合每一个切口。这些都不是多余的复杂或拙劣的设计——它不过是细胞为了把反平行的双螺旋和一个只朝单一方向工作的聚合酶凑到一起，而不得不付的账单。这个不对称是被*迫使*的，而不是被选择的。
在你继续向上攀登之前，有两点诚实的提醒。其一，“前导”与“后随”是相对于*某一个*复制叉而言的标签。一个复制泡有两个朝相反方向前进的复制叉，所以一条链在一个复制叉处是前导链，在另一个复制叉处就是后随链——这些标签是局部的，并非整条链的固定属性。其二，长号模型是我们目前最好的图景，证据充分却仍是一个活跃的领域，单分子实验不断在精炼其中的细节；把它当作一个有力的工作模型，而不是已经定案的结论。带着这些保留，你如今已经握住了复制之所以不对称的真正原因——也已经准备好去问下一个问题：细胞究竟是怎样把这一切复制得如此惊人地*准确*的。