D环复制是线粒体DNA（mitochondrial DNA）以位移环（displacement loop，D-loop）为起点、两条链先后而非同时合成的一种复制方式[1][2]。复制由控制区内的重链起点启动，重链先单向延伸，待轻链起点暴露后轻链才反向合成，整个过程呈不对称、异步的特点[2]。线粒体基因组不用组蛋白包装，每个细胞含有数百至数千份拷贝，维持这些拷贝数所依赖的正是这套机制[3]。
定义
D环复制指线粒体环状DNA从位移环结构处起始的复制方式。位移环是双链DNA局部解链、由一条新合成的链取代原配对链而形成的三链结构，因轮廓近似字母 D 而得名[4][5]。在线粒体基因组中，这种三链结构只出现在唯一的非编码区，也就是控制区，该区域因此也被称为 D 环区[1]。
线粒体DNA的两条链按碱基组成区分为重链与轻链，重链富含腺嘌呤和鸟嘌呤，轻链则富含胸腺嘧啶和胞嘧啶[6]。D 环复制通常与链置换模型相对应，是该模型所描述复制过程的核心环节[7]。
原理
复制的起始与转录相衔接：轻链启动子产生的转录本被加工成引物，在短小的保守序列框内完成由 RNA 到 DNA 的转换，重链合成由此在重链起点处开始[8]。新生重链往往在终止相关序列处提前停下，产物是一段约 650 个核苷酸的片段，称为 7S DNA；它仍与模板轻链配对，把原来的重链挤到一旁，从而构成稳定的三链 D 环[9][10]。
如果合成不再中止，被置换区域会沿环状分子不断扩大。当新重链覆盖基因组约三分之二时，位于另一处的轻链起点因处于单链状态而形成茎环结构，先由线粒体 RNA 聚合酶合成一段短引物，再交给聚合酶γ延伸；轻链以重链为模板朝相反方向合成，直至得到两个完整的子代分子[2][8]。
重链在延伸与中止之间存在可切换的节点：解旋酶 TWINKLE 在终止相关序列核心基序上的装载是可逆的，该位点被视为 D 环形成与全长复制之间的开关[11]。
flowchart LR
A[重链起点OH] --> B[重链单向延伸]
B --> C[提前终止，形成7S DNA]
C --> D[三链D环]
B --> E[延伸至约三分之二基因组]
E --> F[轻链起点OL暴露]
F --> G[轻链反向合成]
发展历程
1971 年，加州理工学院的研究者在小鼠 L 细胞指数生长期的线粒体DNA中观察到，约半数分子含有一段三链结构；与轻链配对并把重链置换出去的这条短链被命名为位移环，其长度估计约为整个分子的 3%[12][4]。
1974 年，限制酶切结合电镜分析显示，小鼠 L 细胞线粒体DNA只有一个复制起点并以单向方式复制，未复制分子中 D 环所用的序列也是唯一的[13]。同年对海胆卵母细胞的研究同样支持位移环模型，同时发现其 D 环出现频率更低，而位移链上的互补链合成开始得更早[14]。
此后的大量工作确认了两条链各有一个特异起点：重链起点即 D 环所在处，轻链起点位于基因组另一侧，并且只有在单链模板状态下才起作用[8]。
2004 年，研究者在人细胞的 D 环第 57 位发现一个主要复制起点，由该起点起始的新链不会在 D 环 3′ 端提前终止，而是像真正的复制链那样持续延伸；据此提出维持型复制与诱导型复制两种模式[15]。
与此同时，另一类解释被提出：复制可从多个位点起始、两条链同步双向合成，即链结合模型，两类模型对复制中间产物的判断互相排斥[16]。国内综述也指出，新的实验方法提示哺乳动物线粒体中还存在链结合的单向与双向复制[17]。
2010 年，中国科学院昆明动物研究所的研究组在一个无相关遗传病的家系中发现 D 环缺失 50 个碱基对，被移除的恰好是保守序列框Ⅱ和引物结合区，但该家系成员多种组织的 mtDNA 拷贝数并无异常，这使这两个元件在复制中是否必需成为疑问[7]。
应用
控制区夹在编码脯氨酸与苯丙氨酸的 tRNA 基因之间，变异程度在整条线粒体基因组中最高，其中分布着若干高变区[18]。由于这些序列差异可以稳定地按母系传递，D 环区成为追溯母系起源、分析群体遗传分化和探讨物种系统发育的常用标记[18][19]。
同样的高变性使线粒体 D 环序列适合用于刑事案件中的个体识别，不过异质性位点的存在也可能给亲缘关系判定带来争议[20]。
在肿瘤研究中，胆管癌细胞系里检出的单核苷酸变异与插入缺失大多落在 D 环区，该区域的突变与 mtDNA 拷贝数变化常被联系起来考察[21]。
局限
尽管 D 环结构被发现已有很长时间，它为何被合成、又为何被维持，至今没有公认答案，其功能被视为线粒体基因组研究中尚未解决的问题之一[9]。
复制机制本身也未有定论：链置换模型认为两条链先后复制，链结合模型则认为双链同步双向复制，两者所预测的中间产物互不相容[16]。2004 年发现的主要起点说明 D 环内并不只有一个起始位点，但这些起点在维持复制与应激复制中各自承担多少作用仍不清楚[15]。
此外，决定新生重链是在终止相关序列处停下、还是继续复制整个基因组，所涉及的因素大多仍属未知[11]；而正常人的 D 环在移除保守序列框Ⅱ与引物结合区后复制仍能维持，也提示现有模型对必需元件的判断可能并不完整[7]。
参见
参考资料
- D-loop . wikipedia.org [引用日期2026-09-29]
- mitochondrial-dna-replication . sciencedirect.com [引用日期2026-09-29]
- scholaris.ca 上的文件 . scholaris.ca [引用日期2026-09-29]
- D-loop - Skip to main content . epfl.ch [引用日期2026-09-29]
- D环_百度百科 - 具有互补性单链DNA与之结合所产生的环状结构 . baidu.com [引用日期2026-09-29]
- heavy-strand . sciencedirect.com [引用日期2026-09-29]
- 姚永刚课题组在线粒体DNA复制方面的新发现 . kiz.ac.cn [引用日期2026-09-29]
- nih.gov 上的网页 . nih.gov [引用日期2026-09-29]
- S0531556514001181 . sciencedirect.com [引用日期2026-09-29]
- ncbi.xyz 上的网页 . ncbi.xyz [引用日期2026-09-29]
- europepmc.org 上的网页 . europepmc.org [引用日期2026-09-29]
- NATURE VOL . nature.com [引用日期2026-09-29]
- pnas.71.11 . pnas.org [引用日期2026-09-29]
- nih.gov 上的网页 . nih.gov [引用日期2026-09-29]
- 9yksb-85s03 . caltech.edu [引用日期2026-09-29]
- F1.expansion . cshlp.org [引用日期2026-09-29]
- 线粒体DNA复制及其调控 . bjmu.edu.cn [引用日期2026-09-29]
- 控制区 . baidu.com [引用日期2026-09-29]
- D環 . wikipedia.org [引用日期2026-09-29]
- 粒線體基因中 D-loop 的高度變異區之分析 . tmu.edu.tw [引用日期2026-09-29]
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最近更新：2026-09-29T12:15:09Z
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