每个人一开始都只是一个受精卵。到成年时，单个细胞已经变成大约37万亿个细胞，其中许多细胞每隔几个月就会不断分裂，产生相同数量的新鲜人体细胞。

　　但这些细胞面临着一个艰巨的挑战。平均每个分裂细胞必须完美地复制3.2个DNA碱基对，大约每24小时复制一次。细胞的复制机制在这方面发挥了惊人的作用，以每秒约50个碱基对的速度快速复制遗传物质。

　　尽管如此，这对于复制整个人类基因组来说还是太慢了。如果细胞的复制机器同时从46条染色体的顶端开始，它将在大约两个月的时间内完成最长的染色体1号，它有2.49亿个碱基对。

　　巴尔的摩约翰霍普金斯大学医学院的结构生物学家詹姆斯·伯杰(James Berger)说:“细胞绕过这个问题的方式当然是它们在多个点开始复制。”伯杰在2021年与人合著了一篇关于真核生物DNA复制的文章。酵母细胞有数百个潜在的复制起点，就像他们所说的那样，像老鼠和人这样的动物有成千上万个，散布在他们的基因组中。

　　“但这也带来了挑战，”伯杰说，“那就是，你如何知道从哪里开始，以及如何为每件事计时?”如果没有精确的控制，一些DNA可能会被复制两次，导致细胞混乱。

　　严格控制DNA复制的启动对于避免这种混乱尤为重要。今天，研究人员正朝着充分理解分子检查和平衡的方向迈进，这些检查和平衡已经进化，以确保每个起源都启动一次且仅一次DNA复制，以精确地产生一个完整的新基因组。

　　如果复制不能正确启动，可能会发生不好的事情。为了复制DNA, DNA双螺旋结构必须打开，由此产生的单链——每条单链都可以作为构建第二条新链的模板——很容易断裂。或者这个过程会被卡住。伦敦弗朗西斯克里克研究所(Francis Crick Institute)的生物化学家约翰·迪夫利(John Diffley)说:“你真的希望快速解决复制问题。”DNA复制过程中的问题会导致基因组紊乱，而这通常是导致癌症的关键一步。

　　一些遗传疾病也是由DNA复制问题引起的。例如，迈尔-戈林综合征，包括身材矮小，耳朵小，膝盖骨小或没有膝盖骨，是由几个基因的突变引起的，这些基因有助于启动DNA复制过程。

　　dna复制机制需要几十种蛋白质紧密协调，才能在细胞生命周期的正确时间点开始复制。研究人员对蛋白质的作用已经有了很好的了解，因为他们已经成功地在实验室的无细胞生物混合物中进行了DNA复制。他们用酵母中的蛋白质模仿了开始复制的第一个关键步骤——这种蛋白质被用来制作面包和啤酒——他们也用人类版本的复制蛋白质模仿了整个复制过程的大部分。

　　细胞通过两个步骤控制DNA复制的开始。整个过程的目标是控制一种叫做解旋酶的关键酶的作用，这种酶解开DNA双螺旋，为复制DNA做准备。在第一步中，非活性解旋酶被装载到DNA的起点，在那里开始复制。在第二步中，解旋酶被激活，解开DNA。

　　启动这一过程的是一个由六种蛋白质组成的簇，它们位于起源处。伯杰的研究小组发现，这个簇被称为ORC，它的形状像一个双层环，上面有一个方便的缺口，可以让它滑到DNA链上。

　　在研究DNA复制的科学家们最喜欢的面包酵母中，这些起始位点很容易被发现:它们有一个特定的，11到17个字母的核心DNA序列，富含腺嘌呤和胸腺嘧啶化学碱基。科学家们观察到ORC抓住DNA，然后滑动，扫描起源序列，直到找到正确的位置。

　　克里克研究所(Crick Institute)的结构生物学家亚历山德罗·科斯塔(Alessandro Costa)说，但在人类和其他复杂的生命形式中，起始位点并没有如此明确的界限，也不太清楚是什么让ORC安顿下来并抓住它。科斯塔和迪夫利在2022年撰写了关于DNA复制起始的文章。复制似乎更有可能开始于基因组——通常紧密缠绕在被称为组蛋白的蛋白质周围——松动的地方。

　　

　　DNA复制开始于前一次细胞分裂和分裂的末端

　　持续到细胞周期的G1期。DNA合成发生在S期。一种叫做CDK的蛋白质的水平对确保DNA的复制至关重要

　　Nce和0

　　只有一次。当CDK水平较低时，解旋酶可以跳0

　　进入DNA并开始解开它。但是重复结合不会发生，因为CDK水平上升，这阻止了解旋酶再次结合。

　　一旦ORC附着在DNA上，它就会吸引第二种蛋白质复合物:一种包含最终会解开DNA的解旋酶的蛋白质复合物。科斯塔和他的同事们用电子显微镜研究了ORC是如何先引诱一种解旋酶，然后再引诱另一种解旋酶的。解旋酶也是环状的，每个解旋酶都打开来包裹双链DNA。然后两个解旋酶再次闭合，在DNA链上面向彼此，就像一根绳子上的两颗珠子。

　　起初，它们只是坐在那里，就像油箱里没有油的汽车一样。它们还没有被激活，现在细胞还在做它的日常工作。

　　当一种叫做CDK的关键分子挥舞着绿旗，启动化学步骤，吸引更多的蛋白质时，事情就进入了高速运转。其中之一是DNA聚合酶——科斯塔称之为“打字机”，它将构建新的DNA链，并与每个解旋酶相连接。另一些则激活解旋酶，它现在可以燃烧能量沿着DNA移动。

　　当这种情况发生时，解旋酶改变形状，推一条DNA链，拉另一条DNA链。这对通常由碱基(构成DNA阶梯的As、Cs、Ts和Gs)将两条链连接在一起的弱氢键造成了压力。两条线被扯开了。科斯塔和他的同事们观察了这两种解旋酶是如何解开它们之间的DNA的，他们也看到了解旋酶是如何保持未结合的碱基稳定和不受阻碍的。

　　一开始，两种解旋酶都缠绕在DNA的两条链上，它们不能像这样走得太远，因为它们是面对面的，只会撞到一起。但接下来，它们各自经历位置的改变，将一条DNA链或另一条DNA链从环中吐出来。现在它们被分开了，它们可以相互挤压，复制也在迅速进行。

　　每一个解旋酶沿着它的单链运动，方向与另一个相反。它们离开原点，在移动过程中把那些氢键碱基对拉扯开。DNA聚合酶就在后面，当DNA字母从它们的伴侣中解放出来时，它就复制它们。

　　CDK的第二项工作是阻止更多的解旋酶跳到起源上。因此，每个起始点都有一个复制开始，以确保基因组的正确复制——尽管复制并不是在每个位点同时开始。在人类细胞中，DNA复制的整个过程大约需要8个小时。

　　还有很多问题需要解决。首先，被复制的DNA并不是一个裸露的双螺旋结构。它包裹在组蛋白上，并附着在许多其他蛋白质上，这些蛋白质忙着打开或关闭基因，或制造基因的RNA拷贝。这些相互碰撞的蛋白质是如何相互影响并避免妨碍彼此的呢?

　　除了这个迷人的基础生物学——对地球上所有生命都至关重要的非凡过程——还有癌症等疾病的影响。科学家们已经知道，错误的复制会破坏DNA的稳定，而易发生突变的不稳定基因组可能是癌症发展的早期标志。他们正在进一步研究复制蛋白和癌症之间的联系。

　　伯杰说:“我认为，一旦我们对这些系统的工作原理和外观有了足够的了解，就有机会对这些系统进行治疗干预。”