各种生物细胞中DNA的复制过程大同小异，大致包括以下几个阶段：DNA复制过程示意。
（1）起始起始阶段包括对起始位点的识别，DNA双螺旋的解开，引物的合成几个步骤。
①识别起始位点DNA的合成并不在模板的任意部位开始，而是从特定的位点开始。原核细胞染色体的复制只能从一个特定位点开始，在另一特定位点终止，能独立进行复制的单位称为复制子。真核细胞基因的线状DNA上有多个复制起点，是多复制子的。引物酶等一些特殊蛋白质可识别并结合模板的起始位点，开始引物的合成。
②DNA解链旋转酶、解链酶与DNA的复制起点结合，解开双螺旋形成两条局部的单链，并且单链结合蛋白也随即结合到DNA单链上。
③RNA引物的生成引物酶（RNA聚合酶）以DNA链为模板合成RNA引物。原核细胞中引物一般长为50～100个核苷酸；真核细胞的引物较短，哺乳动物的引物约10个核苷酸。前导链的模板上只合成一段引物，而后续链的模板上可以合成许多个冈崎片段的引物（图5-12）。
（2）延伸在DNA pol·Ⅲ（真核为α酶）的催化下，根据模板链3"→5"的核苷酸顺序，在RNA引物的3"-OH末端逐个添加脱氧核苷三磷酸，每形成一个磷酸二酯键，即释放一个焦磷酸，直至合成整个前导链或冈崎片段。这二者的新链合成延伸方向都是5"→3"。在延伸（elongation）阶段，还有延伸因子、ATP及其他一些蛋白质参与。新链（段）的延伸速度很快，在大肠杆菌可达每分钟50000bp。延伸的方向在许多情况下是定点、双向、对称并等速的，少数情况下有单向，或双向非对称进行的。
（3）终止终止（termination）阶段主要发生两种生化事件，即：①RNA引物的切除和缺口的填补每个岗崎片段5"端的引物由特异核酸酶RNaseH或pol·Ⅰ的5"一3"外切酶活性切除引物，然后由pol·Ⅰ的5"→3"的聚合活性填补缺口。
②DNA片段的连接对后续链而言，由pol·Ⅰ填补缺口，最后需要由DNA连接酶催化形成磷酸二酯键，完成新链的合成。
新DNA分子还需在旋转酶的作用下形成具有空间结构的新DNA，实际上是一边复制，一边就螺旋空间化了。
三、DNA的损伤与修复
一些物理、化学因子，如紫外线、电离辐射和化学诱变剂能使细胞DNA受到损伤，实质就是DNA碱基发生突变导致DNA结构和功能发生改变，而引起生物的突变或致死。细胞具有一系列修复机制，能在一定条件下使DNA的损伤得到修复。目前知道的修复系统有两大类：光诱导修复和不依赖于光的暗修复。
（1）光修复紫外光照射可以使DNA链中相邻的嘧啶形成一个环形丁烷，主要产生胸腺嘧啶二聚体，二聚体的形成可以使DNA的复制和转录功能受到阻碍。
受紫外光损伤的细胞，在强的可见光照射后，大部分能恢复正常。这是由于可见光激活了细胞内的光裂合酶，使嘧啶二聚体解开，恢复成两个单独的嘧啶碱基。光修复酶分布很广，从单细胞生物到鸟类都有，但在高等哺乳动物中不存在。
DNA损伤的切除修复
（2）暗修复暗修复也称切除修复，是比较普遍的一种修复机制，对多种损伤均能起到修复作用。切除修复包括两个步骤：第一步，由特异的修复酶识别损伤部位，并切除包括损伤部位在内的单链DNA片段；第二步，由DNA聚合酶和连接酶以另一条完整的链为模板进行修补（图5—13）。
四、DNA畸变与遗传病
在遗传信息的传递过程中，DNA是遗传信息的原始载体，蛋白质是遗传信息的最终体现。基因是DNA分子中特定区段，它的改变导致蛋白质结构和功能发生改变，表现出相关病理现象，这种疾病称为分子病或遗传病，所以说遗传病的本质是基因突变。
基因突变是因DNA碱基序列改变所造成的基因结构异常，可分为单点突变和多点突变。多点突变一般是指较大的DNA片段插入或缺失；单点突变是DNA序列上单个碱基的改变，包括碱基替换和移码突变。
五、DNA重组与DNA克隆
1.DNA重组
DNA重组是指在体外按既定的目的和方案，将目的基因片段与载体结合，构成DNA重组体，再将重组分子导人受体细胞，使其与受体细胞基因组合，在细胞中繁殖和扩增，也可进行基因表达，产生特定的基因产物或新性状遗传物质的过程。DNA重组技术是基因工程的主要内容。
2.DNA克隆
所谓克隆是指通过无性繁殖过程产生与亲代完全相同的子代群体，原来用在园艺学上是指无性繁殖的技术。任何DNA片段都能通过先插人质粒或细菌病毒（噬菌体）DNA，然后在细菌细胞中生长而扩增百万倍以上，这个由单一DNA片段复制成许多相同DNA片段的过程称为“DNA克隆”。
3.聚合酶链反应（PCR）技术与DNA扩增图5-14聚合酶链反应
聚合酶链反应（polymerase chain reaction，PCR）是一种体外模拟自然DNA复制过程的核酸扩增技术，即无细胞分子克隆技术。PCR技术由Mullis于1985年发明，它以待扩增的两条DNA链为模板，由一对人工合成的寡聚核苷酸引物介导，通过DNA聚合酶酶促反应，快速体外扩增特异的DNA序列。由图5-14可见，PCR技术中每轮循环包括变性、复性和延伸3个阶段，约经过30轮循环就可迅速将待扩增的DNA扩增数百万倍。由于PCR技术具有操作简单、快速、特异和灵敏的特点，被认为是20世纪核酸分子生物学研究领域的最重要的发明之一。目前，PCR技术已广泛应用于生物学的各个领域，如基因工程、DNA测序、人遗传病的分类鉴别和诊断、肿瘤发生、诊断和治疗以及法医学等。
（第四节 ）RNA的生物合成
RNA的生物合成包括以DNA作为模板合成RNA和以RNA为模板合成RNA（即复制）两个方面。细胞内的各类RNA，包括参与翻译过程的mRNA、rRNA和tRNA以及具有特殊功能的小RNA，都是以DNA为模板，在RNA聚合酶的催化下合成的。此外，除逆转录病毒，其他的RNA病毒均以RNA为模板进行复制。
在DNA指导下的RNA合成称为转录。转录过程中的主要催化酶是DNA指导的RNA聚合酶。
在原核生物和真核生物中都有RNA聚合酶。它以DNA为模板，以四种核苷三磷酸（ATP、GTP、UTP和CTP）为底物，并在二价阳离子（Mn2＋、Mg2＋）参与下，催化RNA合成的酶，又称为依赖于DNA的RNA聚合酶。
原核生物细胞中的RNA聚合酶，与DNA复制中催化RNA片段合成的引物酶不同，是一种复杂的多亚基酶。由5个亚基组成（α2、β、β‘、），不含亚基的酶称为核心酶。各亚基功能如下：
β‘砸基与DNA模板链结合，具有酶的催化功能；β亚基有核苷酸（NTP）结合位点，催化磷酸二酯键的形成；α亚基参与全酶和起始位点的结合及特定基因的转录；亚基具有启动子结合部位的功能，识别起始位点，并与DNA形成稳定的复合物。
原核细胞中只有一种RNA聚合酶，其转录产物包括mRNA前体、rRNA前体和tRNA前体。而真核细胞中至少有3种RNA聚合酶，都是由多个（8～14个）亚基组成的含Zn2＋的寡聚酶，分别转录不同的基因。
一、基因转录的过程
基因转录的过程是以DNA为模板合成RNA的过程，可分为起始、延伸和终止三个阶段，但不同于DNA的复制过程。
1.转录的起始
RNA合成时，首先由RNA聚合酶的因子辨认DNA模板的起动基因，在适当条件下，核心酶与DNA模板结合，并使该部位DNA双螺旋解开，形成局部单链区。然后以模板链为模板，按5"→3"方向开始合成RNA链的5"端。
2.RNA链的延伸
当第一个核苷酸结合后，因子便从全酶中脱落下来，核心酶在DNA链上每滑动一个核苷酸距离，即有一个与DNA链碱基互补的NTP进入。
转录时碱基配对的规律是A-U、G-C。核心酶不断滑动，RNA就沿着5"→3"坊向不断延长。已合成的部分RNA链从5"端逐渐与模板链脱离，模板链与编码链重新形成双螺旋结构（图5—15）。
转录的廷长
3.转录的终止
转录的终止有两种机制，一种是依赖于模板链上终止序列，另一种是依赖于终止因子——蛋白质ρ因子。DNA模板链上有终止信号，当ρ因子识别并与之结合时，核心酶不再向前滑动，转录终止。此时，新合成的RNA链，以及核心酶从DNA模板链上脱落。
二、基因转录的方式
1.对称转录
转录时DNA两条链都作为模板，同时由许多不同的RNA聚合酶与互补的DNA单链识别，并在每条单链DNA模板上按3"→5"方向移动。合成新生RNA链，RNA链的延长方向都是5"→3"，这种转录方式称为对称转录，但不是细胞转录的主要方式。
2.不对称转录
基因转录时，DNA的两条链中常常只有一条作为模板，转录生成RNA，这种转录方式称为不对称转录。在此种转录中，作为模板的那条DNA链称为转录链（也有称模板链、反义链的），另一条称为非转录链（编码链、有义链），又称信息链。非转录链具有维持DNA完整性和构象的作用，有利于RNA聚合酶不断产生RNA。
3.反向转录——以RNA作为模板合成DNA遗传信息不仅可以从DNA传递到RNA，而且还可以将RNA所携带的遗传信息传递给DNA，这种信息传递方式就称为反向转录。其过程是由依赖于RNA的DNA聚合酶（反转录酶，RDDP）催化DNA的生物合成，该酶所依赖的模板为RNA单链，底物是四种脱氧核苷三磷酸，所需引物是一种tRNA。DNA新链延长的方向也是5"→3"，反转录结果是形成RNA、DNA杂合分子，最后由依赖于DNA的DNA聚合酶催化，使杂合分子中的单链DNA合成为一双链分子。这个全过程也是病毒（如RNA病毒）基因（为RNA单链片段）
转变为宿主细胞DNA的基因的感染转化过程，是癌病毒基因在宿主细胞中形成的机理。
三、转录产物的加工修饰
由RNA聚合酶最初合成的RNA链都是不成熟的，一般不具有生物学功能，这种RNA链称为RNA前体，如HnRNA（mRNA的前体），这些前体经过一系列酶促“加工”或修饰过程才能成为有功能的成熟RNA（mRNA、tRNA、rRNA），这就是转录产物的加工修饰。转录后的加工修饰过程包括切除某些核苷酸序列，拼接形成5"或3"端的特殊结构，改变糖苷键等过程。不同RNA加工的加工修饰由不同的酶催化完成。
1.mRNA的加工形成
原核生物的mRNA不需要加工，它在合成尚未完成时就已开始在蛋白质生物合成系统中发挥作用。真核生物mRNA前体需要加工，它的加工剪接是由核酸内切酶、ATP酶、解链酶等催化完成。真核细胞mRNA转录后加工包括：①5"端有一个“帽”状结构（m7G）
的形成；②mRNA 3"端一个“尾”结构的形成，它是在特异性酶切除一段10～30个核苷酸片段后，在一个相对分子质量为300000的RNA末端腺苷酸转移酶催化下，将ATP逐个加聚到mRNA切下的3"端上形成的。
2.rRNA的转录后加工
大肠杆菌的rRNA前体分子沉降系数为30S，大约含有6300个核苷酸残基。这种30S rRNA前体先在特定碱基上甲基化，然后被专一的核酸酶裂解，形成1 7S、2 5S等中间产物，再由另一些专一的核酸酶切除不必要的核苷酸残基，生成特有的、23S、5S rRNA。
真核细胞rRNA的合成
在真核细胞中，除5S rRNA，其他rRNA的转录以及前体的最后加工和核糖体组装均在核仁中进行。真核细胞45S rRNA前体约含14000个核苷酸残基，其转录后加工包括核糖上的甲基化和一系列酶促裂解，最后生成28S、5．8S和18S rRNA（图5-16）。
3.tRNA的转录后加工
大肠杆菌约有60个tRNA基因，除少数与rRNA一起转录外，其余的大都呈簇排列，转录成含有两个或多个tRNA的前体。tRNA前体转录后的加工包括切除5"端和3"端多余的核苷酸序列，有的tRNA要在3"端添加CCA3个核苷酸序列作为氨基酸结合部位，还要在一系列专一的酶促反应中对碱基、核糖进行特征性修饰。
四、RNA的复制
某些大肠杆菌噬菌体（如MS2、R17）是RNA病毒。这些病毒染色体RNA的功能好似病毒蛋白质的mRNA，它是在宿主细胞中由RNA指导的RNA聚合酶（或称RNA复制酶）催化合成的。RNA的复制和DNA指导下的RNA聚合酶所催化的反应类似，新RNA链的合成方向是5"→3"端。RNA复制酶需要专一的RNA模板，这可以解释在有多种类型RNA的宿主细胞中病毒RNA是怎样复制的。
总之，RNA病毒在繁殖方式上有两种类型：一种是以病毒RNA直接作为复制的模板；另一种类型如劳氏肉瘤病毒（一种逆转录病毒），是以病毒RNA为模板逆转录为DNA，然后再从DNA转录出病毒RNA。
