在大腸桿菌DNA 複製過程中，下列何種酶的功能是去除RNA 引子，並用DNA 替換？

本題觀念：

原核生物 DNA 複製（Prokaryotic DNA Replication）：特別是延遲股（Lagging strand）上岡崎片段（Okazaki fragments）的處理過程。核心概念在於區分不同 DNA 聚合酶（DNA Polymerase）的功能，尤其是 DNA 聚合酶 I 與 III 的差異，以及「移除 RNA 引子」所需的特殊酵素活性。

選項分析

• A. 解旋酶（Helicase）：錯誤。

  • 解旋酶的主要功能是切斷 DNA 雙股螺旋間的氫鍵，將雙股 DNA 解開成單股，形成複製叉（Replication fork），為後續的複製提供模板。它不參與引子的移除或 DNA 的替換。

• B. 引子酶（Primase）：錯誤。

  • 引子酶是一種依賴 DNA 的 RNA 聚合酶。它的功能是合成一小段 RNA 片段（即 RNA 引子，Primer），提供一個游離的 3'-OH 端，讓 DNA 聚合酶能夠開始合成新的 DNA 鏈。它的作用是「製造」引子，而非移除。

• C. DNA 連接酶（DNA ligase）：錯誤。

  • DNA 連接酶的功能是在引子被移除且缺口被填補「之後」，負責催化相鄰 DNA 片段（岡崎片段）之間的磷酸二酯鍵（Phosphodiester bond）形成，將片段連接成完整的 DNA 鏈。它本身沒有聚合酶活性，無法合成 DNA 來替換 RNA。

• D. DNA 聚合酶Ⅰ（DNA polymerase Ⅰ）：正確。

  • 在大腸桿菌（E. coli）中，DNA 聚合酶 III 是主要的複製酶，負責合成大部分的 DNA。然而，DNA 聚合酶 I 具有獨特的 5'→3' 外切酶活性（5'→3' exonuclease activity）。
  • 作用機制：DNA 聚合酶 I 利用 5'→3' 外切酶活性切除前方的 RNA 引子，同時利用其 5'→3' 聚合酶活性（5'→3' polymerase activity） 在後方合成新的 DNA 填補空缺。這個過程常被稱為「缺口平移」（Nick translation）。

答案解析

本題的關鍵在於尋找同時具備「移除 RNA」與「合成 DNA」功能的酵素。

1. 移除 RNA 引子：需要 5'→3' 外切酶活性。在 E. coli 的主要聚合酶中，僅有 DNA 聚合酶 I 具備此活性（DNA 聚合酶 III 僅有 3'→5' 的校對功能，無法移除 5' 端的引子）。
2. 用 DNA 替換：需要 5'→3' 聚合酶活性。
3. 因此，DNA 聚合酶 I 是唯一能執行此雙重任務的酵素，將岡崎片段間的 RNA 引子置換為 DNA，最後留下的缺口（Nick）才交由 DNA 連接酶（Ligase）封合。

故正確答案為 D。

核心知識點

考生應重點複習原核生物 DNA 聚合酶的比較，特別是 Pol I 與 Pol III 的差異：

1. DNA 聚合酶 III (Pol III)：

   • 主要功能：染色體複製的主力（合成速度快、持續性高）。
   • 酵素活性：
     • 5'→3' 聚合酶活性（合成 DNA）。
     • 3'→5' 外切酶活性（校對 Proofreading）。
     • 無 5'→3' 外切酶活性。

2. DNA 聚合酶 I (Pol I)：

   • 主要功能：移除引子、DNA 修復、填補缺口。
   • 酵素活性：
     • 5'→3' 聚合酶活性（填補空缺）。
     • 3'→5' 外切酶活性（校對）。
     • 5'→3' 外切酶活性（獨有特徵：用於移除 RNA 引子）。

參考資料

1. Lehman IR. Discovery of DNA polymerase. J Biol Chem. 2003;278(40):38301-38304.
2. Lodish H, et al. Molecular Cell Biology. 4th edition. Section 4.2 DNA Replication Mechanisms.
3. NCBI Bookshelf: DNA Replication - The Cell. (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9940/)