编者按
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本刊2026年第7期刊发的《DNA 前导链和后随链复制协调性的探讨与启示》一文，梳理“长号模型”和最新研究进展，聚焦DNA复制过程中前导链和后随链的相互协调性问题，进而对DNA复制核心机制形成更全面的认识，本期荐读。
DNA前导链和后随链复制协调性的探讨与启示
邱文欣 林晓彤 谷峻
（华南师范大学生命科学学院）
周有祥
（北京市玉渊潭中学）
黄立华
（华南师范大学生命科学学院）
摘要
经典的“长号模型”认为DNA前导链和后随链在复制过程中相互协调，几乎同时完成复制。近年来，科学家借助全内反射荧光显微镜，实时观测单个DNA分子的复制，发现前导链和后随链DNA的合成是相互独立和随机的过程。本文通过梳理“长号模型”和最新研究进展，聚焦DNA复制过程中前导链和后随链的相互协调性问题，厘清2条子链DNA分子完成复制的动态特征，进而对DNA复制核心机制形成更全面的认识，为高中生物学教学提供参考。
关键词
DNA复制 协调性 长号模型 批判性思维
在DNA复制过程中，前导链连续合成，后随链以冈崎片段的形式不连续合成。为解释前导链和后随链在复制过程中的协调性问题，科学家提出了“长号模型”的经典假说。然而，2条DNA链是否需要保持协调一致？以往受限于技术手段，人们一直没有获得直接的实验证据。近年来，随着显微观察技术的进步，科学家得以从单分子水平直接观测DNA复制的动态特征，实验结果颠覆了经典的“长号模型”假说。本文通过梳理“长号模型”假说，并结合前沿进展，解析DNA复制过程中前导链和后随链复制的特征，并给出其对中学生物学教学的启示。
2种DNA复制模型提出的背景
在DNA复制过程中，拓扑异构酶和解旋酶催化DNA双链形成2条单链DNA，随后在DNA聚合酶的作用下，以其中一条单链DNA为模板，完成DNA的半保留复制。由于DNA聚合酶只能将游离的脱氧核糖核苷酸加到子链3′游离的羟基上，催化子链从5′向3′方向延伸。这一特性使得前导链可以连续合成，而后随链则只能以分段、不连续的方式合成冈崎片段，从而进行DNA的半不连续复制。虽然2条DNA子链的复制方式不同，但传统的观念认为，前导链和后随链的合成速度总体来说是一致的。布鲁斯·艾伯茨（Bruce Alberts，1938—）于1980年提出的“长号模型”对这一现象进行了解释，认为前导链和后随链的复制存在着某种协调同步机制。
2017年，加州大学珍妮特·格雷厄姆（Janet E.Graham）等发表在《细胞》杂志上的研究成果则为这一过程的认知提供了新的视角。为进一步了解DNA聚合酶在前导链和后随链到底是如何工作的，他们利用全内反射荧光显微镜（total internal reflection fluorescence microscopy，TIRFM）在单分子水平上对大肠杆菌的DNA复制进行了实时观察。研究发现，大肠杆菌DNA复制体前导链和后随链上2个DNA聚合酶并不是协调同步的，而是2条链相互独立复制，整个过程充满随机性。这一单分子水平的实时观察结果，揭示了DNA复制过程中复杂的动态调控特征。
“长号模型”——前导链和后随链的复制相互协调
在传统的认知逻辑中，为了避免在新生链中产生明显的单链缺口，人们倾向于认为前导链和后随链的合成速度是一致的，合成过程是相互协调的。1980年，布鲁斯·艾伯茨提出的“长号模型”合理地解释了DNA2条链的复制过程，因而被大众广泛接受，成为解释DNA复制过程的一个经典模型。
“长号模型”认为，当DNA双螺旋解开形成复制叉后（图1），2条子链的复制如同长号的2个滑管，始终保持协调同步。由于DNA的反向平行结构和DNA聚合酶的单向作用，迫使DNA复制过程中后随链被聚合酶拉起，新形成的双链DNA（dsDNA）产物被挤出，形成一个长号状的环。该模型下DNA复制过程中2条链的合成如图2所示。当DNA聚合酶Ⅲ（Pol Ⅲ）全酶沿着前导链的复制方向移动时，后随链模板可折叠或环绕成环状，与前导链正在延长的区域对齐，回折后的后随链即可与前导链同时被DNA Pol Ⅲ的2个核心酶分别催化。即前导链和后随链的复制过程是相互协调一致的。
DNA复制的真实状态——前导链和后随链的复制相互独立
随着科技的进展，人们实现了在单分子水平上实时观测DNA的复制。2017年Graham等发现，DNA 2条链的复制过程相互独立，不连续进行，整个过程充满随机性，二者并不协调一致。Graham团队借助TIRFM实现实时观察DNA复制的单个复制体的复制行为（图3），发现DNA复制具有以下特点。
3.1 前导链和后随链的DNA聚合酶在各自的复合体中独立发挥作用
引物酶在DNA复制中的作用是合成RNA引物，为DNA聚合酶提供起始点。在前导链上，RNA引物的合成过程仅需起始一次；而在后随链上，则需要为每一个冈崎片段起始合成一个RNA引物。Graham等通过改变反应体系中引物酶含量，得到了图3所示的实验结果。结果表明，随着引物酶浓度从320 nmol/L降低至零，2条链复制产物的总dsDNA含量也随之降低（图4-a），但2条链总ssDNA（单链DNA）-SSB结合区的长度则相应增加（图4-b）。值得注意的是，无论引物酶浓度如何变化，前导链总的dsDNA、ssDNA-SSB结合区的长度及其长度分布均基本保持稳定，即在同一引物酶浓度的变化下，前导链的DNA聚合酶不受影响，前导链可以正常进行DNA的合成；而后随链的DNA聚合酶催化下的DNA合成过程受到阻碍。无论后随链DNA的复制进程处于怎样的水平，都不会影响前导链DNA的复制进程。由此可见，前导链的合成进程不受引物合成量及后随链合成过程的影响，即前导链和后随链的合成相互独立。
3.2前导链和后随链聚合酶合成速率的独立性和随机性
从整体上来看，前导链和后随链DNA的合成速率大致相同（图5）。但单个聚合酶合成的速率并不恒定，它们可以在高斯分布范围内随机地切换到一个新的速度。实验数据表明，聚合体内任何聚合酶的速率可以变化10倍。这意味着，在任何给定的时间，前导链DNA Pol Ⅲ聚合酶核心酶都可以比后随链DNA Pol Ⅲ聚合酶核心酶以更快的速度合成DNA，反之亦然。所以在DNA复制过程中，2个DNA子链的合成具有相对独立性和随机性，并不协调一致。
讨论与启示
4.1技术进步为DNA复制机制的理解带来了全新的视角
作为解释DNA复制的经典理论，“长号模型”认为复制体中与2条子链结合的DNA聚合酶，通过形成“长号状”DNA环结构来实现协同工作，其结论主要依赖于传统生化分析和电镜观察等技术下多分子群体水平的间接证据。而Graham等的研究通过单分子技术实现了对DNA复制过程中单个复制体的直接动态观测，颠覆了“长号模型”对复制同步性的核心认知，提出了一个在高斯分布范围内随机振荡、互相独立运行的DNA复制模型，为重新理解复制体的工作机制提供了全新视角。
4.2真核生物DNA复制协调性有待进一步研究
DNA复制机制本身具有高度的复杂性。Graham等的研究对象为大肠杆菌这一原核生物，其复制体系相对简单；而真核生物的DNA复制涉及染色质结构重构、多种DNA聚合酶协同、复制起始位点调控等多重复杂机制，目前关于真核生物前导链和后随链复制协调性的研究仍较为有限。原核生物中发现的随机独立复制模型是否适用于真核生物，真核生物是否存在独特的调控机制以平衡2条子链的复制进程，以及复制过程中的随机性与调控机制如何协同作用以保障复制的准确性与高效性等问题，均有待未来进一步深入探讨。
4.3对中学生物学教学的启示
生物学作为一门以实验为基础的学科，其理论体系始终紧随着实验技术的发展和实验证据的积累而不断完善。从“长号模型”的提出，到单分子技术颠覆传统的认知，为科学探索的曲折性提供了生动的范例。在日常教学中，教师不应将科学理论视为静态的教条，而应结合相关研究进展，引导学生认识科学的动态发展过程，培养学生的批判性思维和科学本质观。例如，在讲解DNA复制机制时，教师可将经典的“长号模型”与单分子实时观测到的最新发现相比较，帮助学生理解实验技术进步如何推动认知更新；通过探讨“长号模型”的解释边界与新研究的突破，引导学生基于证据进行批判性思考，逐步树立“不盲从权威、尊重事实、敢于质疑、勇于创新”的科学态度。这不仅有助于学生更全面、深刻地理解生命过程的复杂性，也呼应了核心素养导向下的生物学教学目标——在传授知识的同时，培养学生的科学思维与科学探究能力。
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