世界上以DNA大分子通过特定组织成为特定物种遗传信息携带者的所有生命体需要在传代的过程中“复制” 出一套新的DNA大分子。通过把亲代原有DNA双链一分为二，分别“复制”，形成两套“杂合”的DNA分子，然后，以“染色体”形式，通过有丝分裂（真核）／裂殖均分到两个子细胞（2n)或通过两次分裂，把半数“染色体”均分（真核细胞的减数分裂）到4个“生殖细胞”中。与此同时，这些DNA分子所携带的“基因”信息需要依据“中心法则”的流向，通过“转录”拷贝到RNA分子。

    事实上DNA和RNA分别以4种脱氧核糖核苷酸（dNTPs)和核糖核苷酸(rNTPs)为“建筑”材料，两者之间差别仅在于dNTPs中的“戊糖”环上的第二位碳原子上与氢原子连接，而rNTPs分子戊糖环相应部位却是“羥基”或“仲醇基”；dNTPs和rNTPs中的“N” 是“Nitrogenous Base”的缩写，分别在dNTPs中代表腺嘌呤（A)和鸟嘌呤(G)环以及和胸腺嘧啶（T)、胞嘧啶（C），而在rNTPs中的嘧啶之一胸腺嘧啶则为“尿嘧啶”替换。

    需要特别强调的是，无论以dNTPs为材料复制DNA, 还是以rNTPs为材料转录RNA, 其分子机制基本相同，均遵循“AT(U)”和“GC”这种所谓的沃森-克里克碱基配对规则，而在复制和转录时，这种碱基对的最终形成依循“碱基选择”原则，即碱基随机适配，由复制酶和转录酶的空间结构“选择”满足沃森-克里克配对规则的碱基对。

  上述事实让人难免担心，细胞生命是如何在复制DNA避免适配进rNTPs? 而在基因转录RNA过程中又如何避免dNTPs掺入进RNA分子？

图1 dNTPs 的生产依据细胞周期

一、设计策略

设计1： rNDPs---（核糖核苷还原酶，ribonucleotide reductase，RNR)---dNDPs---＞＞dNTPs 合成

设计2： dNTPs---（脱氧核苷三磷酸水解酶，SAMHD1，deoxynucleoside triphosphohydrolase)---/降解

   从上面设计1和设计2可想而知，如果在DNA复制之际“开动”RNR生产线，就会以rNDPs为原料，“定制加工”出DNA复制所需的脱氧核糖核苷酸（dNTPs), 而在转录需要rNTPs制造RNA之前把“多余”的dNTPs清除即可。

    这实际上是很早以前人们关注的“rNTP”库和“dNTPs”库的“管理”问题。现在似乎依据明确，细胞内的dNTPs在基因组DNA不复制时库存很少，仅维持可以复制线粒体DNA(约37个基因）和修复DNA损伤所需要的量（利用SAMHD1的脱氧核苷三磷酸水解酶维持低水平的dNTPs)，而开始基因组DNA倍增后，则随即增加RNR水平，快速生产4种dNTPs。

  确实，最近的研究进展表明，把1和2用细胞周期指令（真核Cdk2-Cyclin A, 见图1）控制就能实现上述“设计”目的。而已有的来自微生物和真核细胞的数据也表明，三界生物（原核、真核和古细菌）大多数的RNR均使用着利用“细胞周期”这个“计时器”在rnr基因转录这个水平对细胞内的RNR的分子数加以调节。显然，所有DNA生物只有在复制其基因组DNA时才需要高浓度的4种不同的dNTPs以满足可以细胞分裂（有丝分裂和裂殖）。

1、RNR

迄今，已在生物界中确认了三大类的RNR，表1列出三类RNR的基本差别

表1 三类RNR的差别

而表2则给出了不同类型的RNR在常见的三界生物的代表物种细胞内的分布和使用情况（表2）

表2 三类RNR在三界生物细胞内分布

2、RNR的催化机制

    下图是细菌细胞内RNR以rNDP为底物生产dNDPs，并进一步加工出dNTPs作为基因组 DNA复制原料的工作流程（图2）

图2 细菌的RNR以rNDP为底物

3、需氧、厌氧和兼氧细胞RNR催化中心

三界生物细胞依据对氧的需要情况选择了不同类型的RNR催化中心(图3）

图3 三大类RNR的催化机制

图4 示意原核生物细胞的细胞周期的一般情况。

图4 细菌的细胞周期划分

二、点评

    凭心而论，应该说生命界使用上述设计策略并不显得十分“精妙”，因为“碱基配对”遵循“随机选择”机制，接下来由DNA聚合酶催化中心的立体结构的大小进行的选择依然会使得错配碱基（转换突变，嘌呤之间，嘧啶之间的错误掺入）有很大概率掺入复制中的DNA子链（这是为什么DNA聚合酶自身需要携带3‘-5’外切酶校对功能，以及所有的细胞生命均有一套保守的碱基错配对修复机制，见《基因的自身维护与疾病的发生》2004年 科学出版社；《基因疾病的分子生物学》2014年，化学工业出版社；《现代分子生物学教程》2009年 科学出版社等）。

  相较而言，这套设计不如肽链合成时使用专门化的tRNA通过“三联体密码” 更精准。虽然三联体密码碱基之间的识别依然遵循随机配对原则，但三个碱基都正确配对的（实际上最关键只需要2个配对了就好）的概率要远远“难于”单个碱基配对，因此极大地提高了氨基酸组装肽链的正确率。不用在这个所谓的”翻译”阶段补加类似DNA复制的校对和碱基错配对机制，以及RNA转录的“校对”机制。