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學習重點 複製叉的分工：去螺旋酶分開 DNA 雙股；SSB 結合已分開的單股 DNA，避免重新配對；拓樸酶解除複製叉前方的扭轉張力。 新股 DNA 的合成：引子合成酶製造 RNA 引子，DNA 聚合酶由引子的 3′-OH 開始延長，新股合成方向為 5′→3′。 大腸桿菌不需端粒酶：其染色體為環狀 DNA，沒有一般線狀染色體的端粒與末端複製問題。 細胞週期與 DNA 含量：G₁ 期為 2C，S 期由 2C 增至 4C，G₂ 期及 M 期開始時為 4C；分裂完成後，每個子細胞回到 2C。題目以 2N 表示未複製的 DNA 相對含量時，應判斷為 G₁ 期。 核心觀念 一、複製叉：分開雙股與維持單股是不同工作 DNA 採半保留複製：親代 DNA 的兩股分開，各自作為模板，最後形成的每個子代 DNA 分子都含一股親代股與一股新生股。雙股 DNA 分開、並持續進行新股合成的區域稱為複製叉。 去螺旋酶負責「打開」，SSB 負責「維持打開狀態」。去螺旋酶利用 ATP 提供的能量，使雙股 DNA 解開；SSB 則結合暴露出的單股 DNA，避免互補股重新形成氫鍵而恢復雙股，也有助於抑制單股形成局部二級結構。 SSB 的全名為 single-stranded DNA binding protein，即單股 DNA 結合蛋白。它是穩定單股 DNA 的蛋白質，並非切開 DNA 或製造引子的酵素。看到「結合單股」「避免重新配對」「防止恢復雙股」等描述，應直接聯想到 SSB。 蛋白質或酵素主要作用辨識關鍵 去螺旋酶 Helicase利用 ATP 能量解開 DNA 雙股。分開兩條模板股。 SSB結合並穩定已分開的單股 DNA。防止單股重新配對成雙股。 拓樸酶 Topoisomerase暫時切開 DNA 骨架，改變纏繞狀態後再接合。解除超螺旋與複製叉前方的扭轉張力。 引子合成酶 Primase以 DNA 為模板，合成短的 RNA 引子。提供 DNA 聚合酶延伸所需的 3′-OH。 DNA 聚合酶依模板序列，在新股的 3′ 端加入去氧核苷酸。由引子延長 DNA，新股合成方向為 5′→3′。 DNA 連接酶 Ligase形成磷酸二酯鍵，封合相鄰 DNA 片段間的缺口。連接片段，完成 DNA 骨架。 二、引子、DNA 聚合酶與兩股的合成 DNA 聚合酶不能自行從頭開始合成 DNA，必須利用既有引子所提供的游離 3′-OH。引子合成酶先製造 RNA 引子，再由 DNA 聚合酶接續延長。大腸桿菌主要負責染色體複製的酵素為 DNA 聚合酶 III。 由於兩條模板股反向平行，而新股都只能沿 5′→3′ 方向合成，因此領先股可隨複製叉前進而連續合成；落後股則以岡崎片段的形式不連續合成。大腸桿菌的 DNA 聚合酶 I 參與移除 RNA 引子並補上 DNA，之後由 DNA 連接酶封合缺口。 辨識功能時，要區分「製造引子」「延長 DNA」與「連接片段」：三者分別對應引子合成酶、DNA 聚合酶與 DNA 連接酶。 三、大腸桿菌為何不需要端粒酶 一般真核細胞的核染色體為線狀 DNA，末端具有端粒。線狀 DNA 複製時，末端引子移除後，可能無法由一般 DNA 聚合酶完整補足，造成末端複製問題。 端粒酶具有反轉錄酶活性，利用自身攜帶的 RNA 作為模板，延長端粒 DNA 的 3′ 端，再配合其他複製機制完成互補股的合成。並非所有真核細胞都具有足夠的端粒酶活性。 大腸桿菌的染色體為環狀 DNA，沒有線狀染色體的自由末端，因此不需端粒酶。但環狀 DNA 在複製時仍須分開雙股、解除扭轉張力並合成新股，所以仍需要去螺旋酶、拓樸酶與 DNA 聚合酶。 四、細胞週期各期的 DNA 含量 以一般二倍體哺乳動物體細胞的有絲分裂週期為例，順序為G₁→S→G₂→M。G₁ 期尚未進行本輪 DNA 複製；S 期進行 DNA 複製；G₂ 期已完成複製；M 期則將複製後的遺傳物質分配至兩個子細胞。 染色體套數與 DNA 含量要分開判斷。通常以 n 表示染色體套數，以 C 表示一套未複製染色體所含的 DNA 量。二倍體細胞在 G₁ 期為 2n、2C，G₂ 期仍為 2n，但 DNA 含量已增加為 4C。 時期每個細胞的 DNA 含量染色體狀態 G₁ 期2C尚未複製；每條染色體含一個雙股 DNA 分子。 S 期2C→4CDNA 正在複製，含量隨進度增加。 G₂ 期4C已完成複製；每條染色體含兩條姐妹染色分體，每條染色分體各含一個雙股 DNA 分子。 M 期開始時為 4C；胞質分裂完成後，每個子細胞為 2C。姐妹染色分體分離，分配至兩個子細胞。 本單元以「DNA 含量為 2N」描述未複製時的相對 DNA 量，概念上對應上述的 2C，因此應辨識為G₁ 期。不要把這種 DNA 含量的表示法，直接當成染色體套數 2n。 DNA 複製增加的是 DNA 分子數與含量。G₂ 期的每條染色體已具有兩條姐妹染色分體，但在姐妹染色分體分離前，染色體數不因 DNA 複製而加倍。 常考陷阱 「防止單股恢復雙股的是去螺旋酶」：錯。去螺旋酶負責分開雙股；結合已分開的單股、避免重新配對的是 SSB。 「拓樸酶藉由結合單股防止氫鍵形成」：錯。拓樸酶處理 DNA 的超螺旋與扭轉張力，作用涉及暫時切開及重新接合 DNA 骨架。 「引子合成酶負責延長主要 DNA 鏈」：錯。它製造 RNA 引子；DNA 聚合酶才負責接續延長 DNA。 「所有 DNA 複製都需要端粒酶」：錯。大腸桿菌具有環狀染色體，不需要端粒酶，但仍需一般複製酵素。 「G₁ 與 G₂ 都是二倍體，所以 DNA 含量相同」：錯。兩者染色體套數相同，但 G₂ 的 DNA 含量為 G₁ 的兩倍。 「S 期固定為 2C 或固定為 4C」：錯。S 期是複製過程，DNA 含量由 2C 增至 4C。 「M 期一開始，每個細胞就是 2C」：錯。M 期開始時仍為 4C，胞質分裂完成後，每個子細胞才回到 2C。 「未複製染色體含一條單股 DNA」：錯。未複製染色體含一個雙股 DNA 分子；染色分體與 DNA 單股不可混用。 記憶口訣 「解開靠解旋，穩單靠 SSB；解纏靠拓樸，引子靠 primase；聚合延長、連接封口，環狀大腸桿菌不用端粒酶。」 「G₁ 二，S 加倍，G₂ 四；分裂完成，各回二。」數字指每個細胞的相對 DNA 含量；題目以 2N 表示未複製含量時，聯想到 G₁。