เรพลิโซมเป็นเครื่องจักรโมเลกุล ที่ซับซ้อน ซึ่งทำการจำลองดีเอ็นเอเรพลิโซมจะคลายดีเอ็นเอสายคู่ออกเป็นสายเดี่ยวสองสายก่อน สำหรับสายเดี่ยวแต่ละสายที่เกิดขึ้น จะมีการสังเคราะห์ลำดับดีเอ็นเอเสริมใหม่ผลลัพธ์โดยรวมคือการสร้างลำดับดีเอ็นเอสายคู่ใหม่สองลำดับ ซึ่งเป็นสำเนาที่เหมือนกันทุกประการของลำดับดีเอ็นเอสายคู่เดิม

ในแง่ของโครงสร้าง เรพลิโซมประกอบด้วย คอมเพล็กซ์ พอลิเมอเรส แบบจำลองสองชนิด โดยชนิดแรกสังเคราะห์สายนำในขณะที่อีกชนิดสังเคราะห์สายตาม เร พลิโซมประกอบด้วย โปรตีนหลายชนิดได้แก่เฮลิเคส , RFC , PCNA , ไจ เรส / โทโพไอโซเมอเรส , SSB / RPA , ไพรเมส , ดีเอ็นเอ พอลิเมอเรส III , อาร์เอ็นเอส เอชและดีเอ็นเอไลเกส

สำหรับโพรคาริโอต นิวคลีโอต (บริเวณที่มีสารพันธุกรรมที่ไม่ใช่นิวเคลียส) แต่ละส่วนที่กำลังแบ่งตัว จำเป็นต้องมีเรพลิโซมสองตัวเพื่อ การจำลองแบบสองทิศทาง เรพลิโซมทั้งสองจะยังคงจำลองแบบต่อไปที่จุดแยก ทั้ง สองจุดตรงกลางเซลล์ ในที่สุด เมื่อจุดสิ้นสุดการจำลองแบบ เรพลิโซมทั้งสองจะแยกตัวออกจากดีเอ็นเอ เรพลิโซมจะคงอยู่ในตำแหน่งคงที่ตรงกลางเซลล์ของเซลล์ โดยยึดติดกับเยื่อหุ้มเซลล์และดีเอ็นเอแม่แบบจะร้อยผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ ดีเอ็นเอจะถูกป้อนผ่านเรพลิโซมคู่หนึ่งที่อยู่กับที่ซึ่งอยู่ที่เยื่อหุ้มเซลล์

สำหรับยูคาริโอต ฟองจำลองแบบจำนวนมากเกิดขึ้นที่จุดกำเนิดการจำลองแบบทั่วทั้งโครโมโซมเช่นเดียวกับโพรคาริโอต จำเป็นต้องใช้เรพลิโซมสองอัน โดยอันละอันอยู่ที่จุดแยกการจำลองแบบแต่ละอันซึ่งอยู่ที่ปลายสุดของฟองจำลองแบบ เนื่องจากความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในขนาดของโครโมโซม และความซับซ้อนที่เกี่ยวข้องของโครโมโซมที่มีความหนาแน่นสูง ทำให้ลักษณะต่างๆ ของกระบวนการจำลองแบบดีเอ็นเอในยูคาริโอต รวมถึงระยะปลายสุด มีลักษณะเฉพาะน้อยกว่าโพรคาริโอต

เรพลิโซมเป็นระบบที่ปัจจัยต่างๆ ทำงานร่วมกันเพื่อแก้ปัญหาความท้าทายทางโครงสร้างและเคมีของการจำลองดีเอ็นเอ ขนาดและโครงสร้างของโครโมโซมแตกต่างกันไปในแต่ละสิ่งมีชีวิต แต่เนื่องจากโมเลกุลดีเอ็นเอเป็นแหล่งเก็บข้อมูลทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตทุกรูปแบบ ความท้าทายและวิธีแก้ปัญหาการจำลองดีเอ็นเอหลายอย่างจึงเหมือนกันสำหรับสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิด ด้วยเหตุนี้ ปัจจัยการจำลองดีเอ็นเอที่แก้ปัญหาเหล่านี้จึงได้รับการอนุรักษ์ไว้อย่างสูงทั้งในด้านโครงสร้าง เคมี การทำงาน หรือลำดับเบส ความท้าทายทางโครงสร้างและเคมีโดยทั่วไปประกอบด้วยสิ่งต่อไปนี้:

• การประกอบเรพลิโซมที่มีประสิทธิภาพที่จุดกำเนิดของการจำลองแบบ (คอมเพล็กซ์การจดจำจุดกำเนิดหรือลำดับจุดกำเนิดการจำลองแบบเฉพาะในสิ่งมีชีวิตบางชนิด)
• การแยกดูเพล็กซ์ออกเป็นเทมเพลตสแตรนด์ชั้นนำและตามหลัง ( เฮลิเคส )
• การปกป้องสายนำและสายตามจากความเสียหายหลังจากการแยกสายแบบดูเพล็กซ์ (ปัจจัย SSB และ RPA)
• การเตรียมไพรเมสของสายแม่แบบที่นำและตาม (ไพรเมสหรือดีเอ็นเอโพลีเมอเรสอัลฟา)
• การรับประกันกระบวนการ (ปัจจัยการโหลดแคลมป์ โปรตีนแคลมป์รูปวงแหวน โปรตีนจับสาย)
• การจำลองดีเอ็นเอที่มีความเที่ยงตรงสูง (ดีเอ็นเอโพลิเมอเรส III, ดีเอ็นเอโพลิเมอเรสเดลตา, ดีเอ็นเอโพลิเมอเรสเอปซิลอน ทั้งหมดนี้ล้วนมีอัตราข้อผิดพลาดต่ำเนื่องจากโครงสร้างและเคมีของมัน)
• การแก้ไขข้อผิดพลาด (ไซต์ที่ใช้งานของโพลีเมอเรสแบบจำลองตรวจจับข้อผิดพลาด โดเมน เอ็กโซนิวคลีเอส 3' ถึง 5' ของโพลีเมอเรสแบบจำลองแก้ไขข้อผิดพลาด)
• พอลิเมอไรเซชันแบบซิงโครไนซ์ของสายนำและสายตามแม้จะมีโครงสร้างแบบต่อต้านขนาน (โครงสร้างส้อมจำลองแบบ การเกิดไดเมอร์ของพอลิเมอเรสจำลองแบบ)
• การกำจัดไพรเมอร์ (DNA polymerase I, RNAse H, endonucleases ของแฟลป เช่นFEN1หรือปัจจัยการซ่อมแซม DNA อื่นๆ)
• การเกิดพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์ที่ช่องว่างระหว่างชิ้นส่วนโอคาซากิ (ลิกาเซส)

โดยทั่วไป ความท้าทายของการจำลองดีเอ็นเอเกี่ยวข้องกับโครงสร้างของโมเลกุล เคมีของโมเลกุล และจากมุมมองของระบบ ความสัมพันธ์พื้นฐานระหว่างโครงสร้างและเคมี

ปัญหาเชิงโครงสร้างและเคมีหลายอย่างที่เกี่ยวข้องกับการจำลองดีเอ็นเอถูกจัดการโดยกลไกระดับโมเลกุลที่ได้รับการอนุรักษ์ไว้อย่างสูงในสิ่งมีชีวิตต่างๆ หัวข้อนี้จะอธิบายว่าปัจจัยเรพลิโซมช่วยแก้ปัญหาเชิงโครงสร้างและเคมีของการจำลองดีเอ็นเอได้อย่างไร

การจำลองดีเอ็นเอเริ่มต้นที่จุดที่เรียกว่าจุดกำเนิดการจำลอง ในสิ่งมีชีวิตที่มีจีโนมขนาดเล็กและโครงสร้างโครโมโซมแบบง่าย เช่น แบคทีเรีย อาจมีจุดกำเนิดการจำลองบนโครโมโซมแต่ละอันเพียงไม่กี่จุด สิ่งมีชีวิตที่มีจีโนมขนาดใหญ่และโครงสร้างโครโมโซมที่ซับซ้อน เช่น มนุษย์ อาจมีจุดกำเนิดการจำลองหลายร้อยหรือหลายพันจุดกระจายอยู่บนโครโมโซมหลายอัน

โครงสร้างดีเอ็นเอจะแปรผันตามเวลา พื้นที่ และลำดับเบส และเชื่อกันว่าความแปรผันเหล่านี้ นอกจากบทบาทในการแสดงออกของยีนแล้ว ยังมีบทบาทสำคัญในการประกอบเรพลิโซมระหว่างการสังเคราะห์ดีเอ็นเออีกด้วย การประกอบเรพลิโซมที่จุดกำเนิดการจำลองแบบแบ่งคร่าวๆ ออกเป็นสามระยะ

สำหรับแบคทีเรีย:

• การก่อตัวของคอมเพล็กซ์ก่อนการจำลองแบบDNAAจับกับคอมเพล็กซ์การจดจำจุดกำเนิดและแยกดูเพล็กซ์ออกจากกัน สิ่งนี้ดึงดูดเฮลิเคสของ DNABและDNACซึ่งรักษาฟองการจำลองแบบไว้
• การก่อตัวของคอมเพล็กซ์ก่อนการเริ่มต้น SSB จับกับสายเดี่ยว จากนั้นแกมมา (ปัจจัยการโหลดแคลมป์) จับกับ SSB
• การก่อตัวของคอมเพล็กซ์เริ่มต้น แกมมาสะสมตัวหนีบเลื่อน (เบต้า) และดึงดูดดีเอ็นเอโพลีเมอเรส III

สำหรับยูคาริโอต:

• การก่อตัวของคอมเพล็กซ์ก่อนการจำลองแบบ ปัจจัย MCMจับกับคอมเพล็กซ์การจดจำแหล่งกำเนิดและแยกดูเพล็กซ์ ก่อให้เกิดฟองการจำลองแบบ
• การก่อตัวของคอมเพล็กซ์ก่อนการเริ่มต้นโปรตีนจำลองแบบ A (RPA) จับกับดีเอ็นเอสายเดี่ยว จากนั้น RFC (clamp loading factor) จับกับ RPA
• การก่อตัวของสารเชิงซ้อนเริ่มต้น RFC สะสมตัวหนีบเลื่อน ( PCNA ) และดึงดูดดีเอ็นเอโพลีเมอเรส เช่น อัลฟา (α) เดลตา (δ) และเอปซิลอน (ε)

สำหรับแบคทีเรียและยูคาริโอต ระยะถัดไปมักเรียกว่า 'การยืดออก' และในระยะนี้เองที่การสังเคราะห์ DNA ส่วนใหญ่เกิดขึ้น

ดีเอ็นเอเป็นดูเพล็กซ์ที่เกิดจากสายคู่ขนานสองสายที่ตรงข้ามกัน ตามทฤษฎีเมเซลสัน-สตาห์ลกระบวนการจำลองดีเอ็นเอเป็นแบบกึ่งอนุรักษ์นิยม โดยในระหว่างการจำลองดีเอ็นเอดูเพล็กซ์เดิมจะถูกแยกออกเป็นสายลูกสองสาย (เรียกว่าแม่แบบสายนำและสายตาม) แต่ละสายลูกจะกลายเป็นส่วนหนึ่งของดูเพล็กซ์ดีเอ็นเอใหม่ ปัจจัยที่เรียกกันทั่วไปว่าเฮลิเคสจะคลายดูเพล็กซ์

เฮลิเคสเป็นเอนไซม์ที่สลายพันธะไฮโดรเจนระหว่างคู่เบสที่อยู่ตรงกลางของดีเอ็นเอดูเพล็กซ์ โครงสร้างคล้ายโดนัทของเฮลิเคสจะพันรอบดีเอ็นเอและแยกสายดีเอ็นเอออกจากกันก่อนการสังเคราะห์ดีเอ็นเอ ในยูคาริโอต คอมเพล็กซ์ Mcm2-7 ทำหน้าที่เป็นเฮลิเคส แม้ว่าหน่วยย่อยใดที่จำเป็นสำหรับการทำงานของเฮลิเคสยังไม่ชัดเจนนักเฮลิเคสนี้จะเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกับดีเอ็นเอโพลีเมอเรส (3' ถึง 5' เทียบกับสายแม่แบบ) ในสิ่งมีชีวิตโปรคาริโอต เฮลิเคสจะถูกระบุได้ดีกว่าและรวมถึงดีเอ็นเอบีซึ่งเคลื่อนที่จาก 5' ถึง 3' บนสายตรงข้ามกับดีเอ็นเอโพลีเมอเรส

เมื่อเฮลิเคสคลายเกลียวคู่ การเปลี่ยนแปลงทางโทโพโลยีที่เกิดจากการเคลื่อนที่แบบหมุนของเฮลิเคสจะทำให้เกิดการก่อตัวของซูเปอร์คอยล์ก่อนเฮลิเคส (คล้ายกับสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อคุณบิดเส้นด้าย)

ไจเรส (รูปแบบหนึ่งของโทโพไอโซเมอเรส ) คลายและคลายการพันกันแบบซูเปอร์คอยล์ที่เกิดจากเฮลิเคส โดยการตัดสายดีเอ็นเอ ทำให้สายดีเอ็นเอสามารถหมุนและปล่อยซูเปอร์คอยล์ แล้วจึงเชื่อมต่อสายดีเอ็นเอเข้าด้วยกันอีกครั้ง ไจเรสมักพบบริเวณต้นน้ำของจุดแยกการจำลองแบบ ซึ่งเป็นจุดที่ซูเปอร์คอยล์เกิดขึ้น

ดีเอ็นเอสายเดี่ยวมีความไม่เสถียรสูงมากและสามารถสร้างพันธะไฮโดรเจนกับตัวเองได้ ซึ่งเรียกว่า "กิ๊บติดผม" (หรือสายเดี่ยวอาจจับกับสายเดี่ยวอีกสายหนึ่งได้ไม่ถูกต้อง) เพื่อแก้ไขความไม่เสถียรนี้โปรตีนยึดสายเดี่ยว (SSB ในโพรคาริโอตและโปรตีนจำลองแบบ Aในยูคาริโอต) จะจับกับเบสที่หลุดออกมาเพื่อป้องกันการผูกมัดที่ไม่ถูกต้อง

หากคุณพิจารณาแต่ละเส้นเป็น "เส้นที่ยืดหยุ่นและไดนามิก" ศักยภาพเชิงโครงสร้างที่อาจเกิดการรัดที่ไม่เหมาะสมก็ควรจะชัดเจน

แผนผังที่ขยายออกเผยให้เห็นเคมีพื้นฐานของปัญหา: ศักยภาพในการก่อตัวของพันธะไฮโดรเจนระหว่างคู่เบสที่ไม่เกี่ยวข้องกัน

โปรตีนที่จับกันจะทำให้สายเดี่ยวมีความเสถียรและปกป้องสายจากความเสียหายที่เกิดจากปฏิกิริยาเคมีที่ไม่ได้รับอนุญาต

การรวมกันของสายเดี่ยวและโปรตีนยึดเกาะทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นที่ดีกว่าสำหรับพอลิเมอเรสแบบจำลองแบบมากกว่าสายเดี่ยวเปล่า (โปรตีนยึดเกาะให้แรงขับเคลื่อนทางเทอร์โมไดนามิกเพิ่มเติมสำหรับปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชัน) โปรตีนยึดเกาะจะถูกกำจัดออกโดยพอลิเมอเรสแบบจำลองแบบ

จากทั้งมุมมองเชิงโครงสร้างและเคมี สายดีเอ็นเอเดี่ยว (และโปรตีนยึดสายเดี่ยวที่เกี่ยวข้อง) ไม่เหมาะสำหรับการเกิดพอลิเมอไรเซชัน เนื่องจากปฏิกิริยาเคมีที่เร่งปฏิกิริยาโดยพอลิเมอเรสแบบจำลองจำเป็นต้องมี 3' OH ที่เป็นอิสระเพื่อเริ่มต้นการยืดตัวของสายนิวคลีโอไทด์ ในแง่ของโครงสร้าง โครงสร้างของตำแหน่งแอคทีฟพอลิเมอเรสแบบจำลอง (ซึ่งสัมพันธ์อย่างมากกับความแม่นยำโดยธรรมชาติของพอลิเมอเรสแบบจำลอง) หมายความว่าปัจจัยเหล่านี้ไม่สามารถเริ่มต้นการยืดตัวของสายได้หากไม่มีสายนิวคลีโอไทด์ที่มีอยู่ก่อนแล้ว เนื่องจากพอลิเมอเรสแบบจำลองที่รู้จักไม่สามารถเริ่มต้นการยืดตัวของสายได้ใหม่

เอนไซม์ไพรเมอร์ (ซึ่งเป็น RNA polymeraseที่ขึ้นกับ DNA ) แก้ปัญหานี้โดยการสร้างไพรเมอร์ RNA บนสายนำและสายตาม สายนำจะถูกไพรเมอร์เพียงครั้งเดียว และสายตามจะถูกไพรเมอร์ทุกๆ 1,000 คู่เบส (+/- 200) คู่เบส (หนึ่งไพรเมอร์ต่อชิ้นส่วนโอคาซากิแต่ละชิ้นบนสายตาม) ไพรเมอร์ RNA แต่ละตัวมีความยาวประมาณ 10 เบส

ส่วนต่อประสานที่ (A*) ประกอบด้วย 3' OH อิสระที่เหมาะสมทางเคมีสำหรับปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาโดยโพลิเมอเรสแบบจำลอง และโครงสร้างแบบ "โอเวอร์แฮงค์" เหมาะสมทางโครงสร้างสำหรับการยืดตัวของสายโซ่โดยโพลิเมอเรสแบบจำลอง ดังนั้น โพลิเมอเรสแบบจำลองจึงสามารถเริ่มการยืดตัวของสายโซ่ได้ที่ (A*)

ในโพรคาริโอตไพรเมสจะสร้างไพรเมอร์ RNA ที่จุดเริ่มต้นของสายนำและสายตามที่เพิ่งแยกออกจากกัน

ในยูคาริโอตDNA โพลิเมอเรสอัลฟาจะสร้างไพรเมอร์ RNA ที่จุดเริ่มต้นของสายนำและสายตามที่เพิ่งแยกออก และแตกต่างจากไพรเมส DNA โพลิเมอเรสอัลฟายังสังเคราะห์สายสั้นของดีออกซีไรโบนิวคลีโอไทด์หลังจากสร้างไพรเมอร์อีกด้วย

ความสามารถในการประมวลผลหมายถึงทั้งความเร็วและความต่อเนื่องของการจำลองดีเอ็นเอ และความสามารถในการประมวลผลสูงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการจำลองดีเอ็นเออย่างทันท่วงที ความสามารถในการประมวลผลสูงส่วนหนึ่งเกิดจากโปรตีนรูปวงแหวนที่เรียกว่า 'แคลมป์' ซึ่งช่วยให้พอลิเมอเรสจำลองยังคงเชื่อมโยงกับสายนำและสายตาม นอกจากนี้ยังมีตัวแปรอื่นๆ อีกด้วย จากมุมมองทางเคมี โปรตีนที่ยึดสายจะกระตุ้นการเกิดพอลิเมอไรเซชันและให้พลังงานทางอุณหพลศาสตร์เพิ่มเติมสำหรับปฏิกิริยา จากมุมมองเชิงระบบ โครงสร้างและเคมีของปัจจัยรีพลิโซมหลายชนิด (เช่น คุณสมบัติของ AAA+ ATPase ของหน่วยย่อยที่โหลดแคลมป์แต่ละหน่วย พร้อมกับโครงสร้างเกลียวที่พวกมันใช้) และความสัมพันธ์ระหว่างปัจจัยโหลดแคลมป์และปัจจัยเสริมอื่นๆ ก็ช่วยเพิ่มความสามารถในการประมวลผลเช่นกัน

จนถึงจุดนี้ จากงานวิจัยของ Kuriyan และคณะเนื่องจากบทบาทของแคลมป์โหลดเดอร์และสไลดิงแคลมป์ในการคัดเลือกและจับกับปัจจัยอื่นๆ เช่น ไพรเมอร์เอนไซม์และโพลิเมอเรสที่ทำหน้าที่จำลองแบบ แคลมป์โหลดเดอร์และสไลดิงแคลมป์แฟกเตอร์จึงเป็นหัวใจสำคัญของกลไกเรพลิโซม งานวิจัยพบว่าแคลมป์โหลดเดอร์และสไลดิงแคลมป์แฟกเตอร์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการจำลองแบบ ซึ่งอธิบายถึงการอนุรักษ์โครงสร้างระดับสูงที่สังเกตได้จากแคลมป์โหลดเดอร์และสไลดิงแคลมป์แฟกเตอร์ การอนุรักษ์โครงสร้างและโครงสร้างนี้พบเห็นได้ในสิ่งมีชีวิตที่หลากหลาย เช่น แบคทีเรีย ฟาจ ยีสต์ และมนุษย์ การที่สังเกตเห็นการอนุรักษ์โครงสร้างในระดับที่สำคัญเช่นนี้โดยไม่มีความคล้ายคลึงกันของลำดับเบส ยิ่งตอกย้ำความสำคัญของแนวทางเชิงโครงสร้างเหล่านี้ต่อความท้าทายในการจำลองแบบ

แคลมป์โหลดเดอร์เป็นคำทั่วไปที่หมายถึงปัจจัยการจำลองแบบที่เรียกว่าแกมมา (แบคทีเรีย) หรือ RFC (ยูคาริโอต) การรวมกันของดีเอ็นเอแม่แบบและไพรเมอร์อาร์เอ็นเอเรียกว่า ' ดีเอ็นเอรูปแบบ A ' และเชื่อกันว่าโปรตีนจำลองแบบแคลมป์โหลดเดอร์ (เฮเทอโรเพนทาเมอร์แบบเกลียว) ต้องการเชื่อมโยงกับดีเอ็นเอรูปแบบ A เนื่องจากรูปร่าง (โครงสร้างของร่องหลัก/ร่องรอง) และองค์ประกอบทางเคมี (รูปแบบของ ตัวให้และตัวรับ พันธะไฮโดรเจน ) ดังนั้น โปรตีนแคลมป์โหลดเดอร์จึงเชื่อมโยงกับบริเวณไพรเมอร์ของสาย ซึ่งทำให้เกิดการไฮโดรไลซิสของ ATP และให้พลังงานเพื่อเปิดแคลมป์และยึดติดกับสาย

Sliding clampเป็นคำทั่วไปที่หมายถึงปัจจัยการจำลองแบบรูปวงแหวนที่เรียกว่า เบต้า (แบคทีเรีย) หรือ พีซีเอ็นเอ (ยูคาริโอตและอาร์เคีย) โปรตีนแคลมป์จะดึงดูดและยึดพอลิเมอเรสแบบจำลอง เช่น ดีเอ็นเอ โพลีเมอเรส III ไว้ เพื่อยืดระยะเวลาที่พอลิเมอเรสแบบจำลองจะคงอยู่กับสายดีเอ็นเอ จากมุมมองทางเคมี แคลมป์มีประจุบวกเล็กน้อยที่จุดศูนย์กลาง ซึ่งเกือบจะตรงกับประจุลบเล็กน้อยของสายดีเอ็นเอ

ในสิ่งมีชีวิตบางชนิด แคลมป์จะเป็นไดเมอร์ และในสิ่งมีชีวิตบางชนิด แคลมป์จะเป็นไตรเมอร์ อย่างไรก็ตาม โครงสร้างวงแหวนที่อนุรักษ์ไว้ช่วยให้แคลมป์สามารถห่อหุ้มสายได้

พอลิเมอเรสแบบจำลองแบบ (replication polymerase) จะสร้างไดเมอร์แบบอสมมาตรที่จุดแยกการจำลองแบบ (replication fork) โดยการจับกับหน่วยย่อยของแฟกเตอร์โหลดแคลมป์ (clamp loading factor) โครงสร้างแบบอสมมาตรนี้สามารถจำลองแบบสายนำและสายตามได้พร้อมกัน และกลุ่มของแฟกเตอร์ที่มีพอลิเมอเรสแบบจำลองแบบมักเรียกว่าโฮโลเอนไซม์ (holoenzyme ) อย่างไรก็ตาม ยังมีความท้าทายที่สำคัญอยู่ นั่นคือ สายนำและสายตามมีลักษณะขนานกัน ซึ่งหมายความว่าการสังเคราะห์นิวคลีโอไทด์บนสายนำจะเกิดขึ้นตามธรรมชาติในทิศทาง 5' ถึง 3' อย่างไรก็ตาม สายตามจะวิ่งไปในทิศทางตรงกันข้าม ซึ่งเป็นความท้าทายอย่างมาก เนื่องจากไม่มีพอลิเมอเรสแบบจำลองแบบที่รู้จักใดที่สามารถสังเคราะห์ดีเอ็นเอในทิศทาง 3' ถึง 5' ได้

การเกิดไดเมอร์ของพอลิเมอเรสแบบจำลองช่วยแก้ปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการซิงโครไนซ์อย่างมีประสิทธิภาพของการสังเคราะห์สายนำและสายตาม ณ จุดแยกการจำลองแบบ แต่การเชื่อมโยงเชิงพื้นที่และโครงสร้างที่แน่นหนาของพอลิเมอเรสแบบจำลอง ขณะเดียวกันก็ช่วยแก้ปัญหาที่ซับซ้อนของการซิงโครไนซ์ได้ ก่อให้เกิดความท้าทายอีกประการหนึ่ง นั่นคือ การเกิดไดเมอร์ของพอลิเมอเรสแบบจำลองที่จุดแยกการจำลองแบบหมายความว่าการสังเคราะห์นิวคลีโอไทด์สำหรับทั้งสองสายจะต้องเกิดขึ้นที่ตำแหน่งเชิงพื้นที่เดียวกัน แม้ว่าสายตามจะต้องถูกสังเคราะห์แบบย้อนกลับเมื่อเทียบกับสายนำก็ตาม การสังเคราะห์สายตามจะเกิดขึ้นหลังจากที่เฮลิเคสคลายสายตามในปริมาณที่เพียงพอ และ "สายตามปริมาณที่เพียงพอ" นี้จะถูกพอลิเมอไรเซชันในสายนิวคลีโอไทด์ที่แยกจากกัน เรียกว่า ชิ้นส่วนโอคาซากิ

ลองพิจารณาสิ่งต่อไปนี้: เฮลิเคสจะคลายสายคู่หลักอย่างต่อเนื่อง แต่สายตามหลังจะต้องเกิดการพอลิเมอไรเซชันในทิศทางตรงกันข้าม ซึ่งหมายความว่าในขณะที่เกิดการพอลิเมอไรเซชันของสายนำ การเกิดพอลิเมอไรเซชันของสายตามหลังจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อสายตามหลังถูกคลายออกโดยเฮลิเคสมากพอแล้ว ณ จุดนี้ พอลิเมอเรสแบบจำลองของสายตามหลังจะเข้าจับกับแคลมป์และไพรเมอร์เพื่อเริ่มการเกิดพอลิเมอไรเซชัน ในระหว่างการสังเคราะห์สายตามหลัง พอลิเมอเรสแบบจำลองจะส่งสายตามหลังกลับไปยังจุดแยกการจำลองแบบ พอลิเมอเรสแบบจำลองจะแยกตัวเมื่อไปถึงไพรเมอร์ RNA เฮลิเคสจะคลายสายคู่หลักต่อไป เอนไซม์ไพรเมอร์จะเข้าจับกับไพรเมอร์ตัวอื่น และพอลิเมอเรสแบบจำลองจะเข้าจับกับแคลมป์และไพรเมอร์อีกครั้งเมื่อสายตามหลังคลายออกในปริมาณที่เพียงพอ

เมื่อพิจารณาโดยรวม การสังเคราะห์สายนำและสายตามเรียกว่า "แบบกึ่งไม่ต่อเนื่อง"

สิ่งมีชีวิตที่มีโปรคาริโอตและยูคาริโอตใช้พอลิเมอเรสจำลองแบบหลายชนิด ซึ่งบางชนิดมีลักษณะเฉพาะที่ชัดเจน:

• ดีเอ็นเอโพลิเมอเรส III
• ดีเอ็นเอโพลีเมอเรสเดลต้า
• ดีเอ็นเอโพลีเมอเรสเอปซิลอน

โพลิเมอเรสนี้สังเคราะห์ DNA สายนำและสายตามในแบคทีเรีย

โพลิเมอเรสนี้สังเคราะห์ดีเอ็นเอสายล่าช้าในยูคาริโอต (เชื่อกันว่าสร้างไดเมอร์แบบไม่สมมาตรกับดีเอ็นเอโพลิเมอเรสเอปซิลอน)

โพลีเมอเรสนี้สังเคราะห์ดีเอ็นเอสายนำในยูคาริโอต (เชื่อกันว่าสร้างไดเมอร์ที่ไม่สมมาตรกับดีเอ็นเอโพลีเมอเรสเดลตา)

แม้ว่าจะพบได้น้อย แต่การเกิดพอลิเมอไรเซชันแบบจับคู่เบสที่ไม่ถูกต้องก็เกิดขึ้นได้ในระหว่างการยืดตัวของสายโซ่ (โครงสร้างและเคมีของพอลิเมอเรสแบบจำลองหมายความว่าความคลาดเคลื่อนนั้นไม่น่าจะเกิดขึ้น แต่ก็เกิดขึ้นได้) พอลิเมอเรสแบบจำลองหลายชนิดมีกลไก "การแก้ไขข้อผิดพลาด" ในรูปแบบของโดเมนเอ็กโซนิวคลีเอส 3' ถึง 5' ที่สามารถกำจัดคู่เบสออกจากปลาย 3' ของสายโซ่ที่กำลังเจริญเติบโตที่โผล่ออกมา การแก้ไขข้อผิดพลาดเป็นไปได้เนื่องจากความคลาดเคลื่อนของคู่เบสทำให้ตำแหน่งของไอออนแมกนีเซียมในหน่วยย่อยพอลิเมอไรเซชันบิดเบี้ยว และการผิดเพี้ยนของโครงสร้างและเคมีของหน่วยพอลิเมอไรเซชันทำให้กระบวนการพอลิเมอไรเซชันหยุดชะงักลงอย่างมีประสิทธิภาพโดยการชะลอปฏิกิริยาต่อมา ปฏิกิริยาเคมีในหน่วยเอ็กโซนิวคลีเอสจะเข้าควบคุมและกำจัดนิวคลีโอไทด์ออกจากปลาย 3' ของสายโซ่ที่กำลังเจริญเติบโตที่โผล่ออกมาเมื่อความคลาดเคลื่อนถูกกำจัด โครงสร้างและเคมีของหน่วยพอลิเมอไรเซชันจะกลับสู่ภาวะปกติ และการจำลองแบบดีเอ็นเอจะดำเนินต่อไป เมื่อทำงานร่วมกันในลักษณะนี้ ไซต์ที่ใช้งานพอลิเมอไรเซชันสามารถคิดได้ว่าเป็น "เครื่องอ่านพิสูจน์อักษร" เนื่องจากตรวจจับความไม่ตรงกัน และเอ็กโซนิวคลีเอสเป็น "ตัวแก้ไข" เนื่องจากแก้ไขข้อผิดพลาด

ข้อผิดพลาดของคู่เบสทำให้ตำแหน่งแอคทีฟของพอลิเมอเรสผิดเพี้ยนไประหว่าง 4 ถึง 6 นิวคลีโอไทด์ ซึ่งหมายความว่า ขึ้นอยู่กับประเภทของความไม่ตรงกัน มีโอกาสแก้ไขข้อผิดพลาดได้มากถึง 6 ครั้ง คุณสมบัติการตรวจจับและแก้ไขข้อผิดพลาด รวมถึงความแม่นยำโดยธรรมชาติที่เกิดจากโครงสร้างและเคมีของพอลิเมอเรสที่จำลองแบบได้ ส่งผลให้มีอัตราข้อผิดพลาดประมาณ 1 คู่เบสที่ไม่ตรงกันใน 10 ถึง 10 คู่เบส

ความผิดพลาดสามารถจำแนกได้เป็นสามประเภท ได้แก่ ความไม่ตรงกันของพิวรีน-พิวรีน ความไม่ตรงกันของไพริมิดีน-ไพริมิดีน และความไม่ตรงกันของไพริมิดีน-พิวรีน ปฏิกิริยาทางเคมีของความไม่ตรงกันแต่ละชนิดจะแตกต่างกันไป เช่นเดียวกับพฤติกรรมของพอลิเมอเรสแบบจำลองที่เกี่ยวข้องกับกิจกรรมการตรวจจับความไม่ตรงกัน

การจำลองดีเอ็นเอของแบคทีเรียโฟจ T4เมื่อมีการติดเชื้ออีโคไลเป็นระบบการจำลองดีเอ็นเอที่ได้รับการศึกษาอย่างดี ในช่วงเวลาที่มีการเพิ่มจำนวนดีเอ็นเอแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลที่อุณหภูมิ 37°C อัตราการยืดออกของดีเอ็นเออยู่ที่ 749 นิวคลีโอไทด์ต่อวินาทีอัตราการกลายพันธุ์ระหว่างการจำลองดีเอ็นเออยู่ที่ 1.7 การกลายพันธุ์ต่อ 10 คู่เบสดังนั้นการจำลองดีเอ็นเอในระบบนี้จึงรวดเร็วและมีความแม่นยำสูงมาก

หลังจากการสังเคราะห์สายนำและสายตามหลังมีปัญหาสองประการ คือ RNA ยังคงอยู่ในสายคู่ และมีรอยบากระหว่างชิ้นส่วนโอคาซากิแต่ละชิ้นในสายคู่ตามหลัง ปัญหาเหล่านี้ได้รับการแก้ไขด้วยเอนไซม์ซ่อมแซม DNA หลายชนิดที่แตกต่างกันไปในแต่ละสิ่งมีชีวิต ได้แก่ DNA polymerase I, DNA polymerase beta, RNAse H, ligase และ DNA2 กระบวนการนี้พบได้ชัดเจนในแบคทีเรีย แต่พบได้น้อยกว่ามากในยูคาริโอตหลายชนิด

โดยทั่วไป เอนไซม์ซ่อมแซมดีเอ็นเอจะทำให้ชิ้นส่วนโอคาซากิสมบูรณ์ด้วยวิธีการที่หลากหลาย ได้แก่ การตัดคู่เบสออก และการทำงานของเอ็กโซนิวคลีเอส 5' ถึง 3' ซึ่งจะกำจัดไรโบนิวคลีโอไทด์ที่ไม่เสถียรทางเคมีออกจากดูเพล็กซ์ที่ล้าหลัง และแทนที่ด้วยดีออกซีนิวคลีโอไทด์ที่เสถียร กระบวนการนี้เรียกว่า "การทำให้ชิ้นส่วนโอคาซากิสมบูรณ์" และไลกาเซส (ดูรายละเอียดด้านล่าง) จะทำให้ขั้นตอนสุดท้ายของกระบวนการทำให้สมบูรณ์เสร็จสมบูรณ์

การกำจัดไพรเมอร์และการผูกรอยบากอาจถือได้ว่าเป็นกระบวนการซ่อมแซมดีเอ็นเอที่สร้างดูเพล็กซ์ที่เสถียรทางเคมีและปราศจากข้อผิดพลาด จนถึงจุดนี้ ในแง่ของเคมีของดูเพล็กซ์ RNA-DNA นอกเหนือจากการมียูราซิลในดูเพล็กซ์แล้ว การมีไรโบส (ซึ่งมี 2' OH ที่ทำปฏิกิริยาได้) มีแนวโน้มที่จะทำให้ดูเพล็กซ์มีความเสถียรทางเคมีน้อยกว่าดูเพล็กซ์ที่มีเพียงดีออกซีไรโบส (ซึ่งมี 2' H ที่ไม่ทำปฏิกิริยาได้) มาก

DNA polymerase I เป็นเอนไซม์ที่ซ่อมแซม DNA

RNAse H เป็นเอนไซม์ที่กำจัด RNA ออกจากดูเพล็กซ์ RNA-DNA

หลังจากปัจจัยซ่อมแซมดีเอ็นเอ (DNA repair factors) แทนที่ไรโบนิวคลีโอไทด์ของไพรเมอร์ด้วยดีออกซีนิวคลีโอไทด์แล้ว ช่องว่างเดียวจะยังคงอยู่ในโครงสร้างหลักน้ำตาล-ฟอสเฟตระหว่างชิ้นส่วนโอคาซากิแต่ละชิ้นในดูเพล็กซ์ที่ล้าหลัง เอนไซม์ที่เรียกว่าดีเอ็นเอไลกาส (DNA ligase)จะเชื่อมช่องว่างในโครงสร้างหลักโดยการสร้างพันธะฟอสโฟไดเอสเทอร์ระหว่างช่องว่างแต่ละช่องที่แยกชิ้นส่วนโอคาซากิออกจากกัน ลักษณะโครงสร้างและเคมีของกระบวนการนี้ ซึ่งโดยทั่วไปเรียกว่า "การแปลแบบนิก" (nick translation) เกินขอบเขตของบทความนี้

ความเครียดจากการจำลองแบบอาจส่งผลให้เกิดจุดแยกการจำลองแบบที่หยุดนิ่ง ความเครียดจากการจำลองแบบประเภทหนึ่งเกิดจากความเสียหายของดีเอ็นเอ เช่นการเชื่อมโยงระหว่างสาย (ICL) ICL สามารถขัดขวางความก้าวหน้าของจุดแยกการจำลองแบบเนื่องจากความล้มเหลวของการแยกสายดีเอ็นเอ ในเซลล์สัตว์มีกระดูกสันหลัง การจำลองแบบ ของแม่แบบ โครมาติ นที่มี ICL จะกระตุ้นการคัดเลือกปัจจัย การซ่อมแซมดีเอ็นเอและการบำรุงรักษาจีโนมมากกว่า 90 ปัจจัย ปัจจัยเหล่านี้รวมถึงโปรตีนที่ทำหน้าที่ผ่าตัดแบบต่อเนื่องและการรวมตัวแบบโฮ โมโลกั ส

แคทเธอรีน เลมอน และ อลัน กรอสส์แมน แสดงให้เห็นโดยใช้เชื้อ Bacillus subtilisว่าเรพลิโซมไม่ได้เคลื่อนที่เหมือนรถไฟบนราง แต่แท้จริงแล้วดีเอ็นเอถูกป้อนผ่านเรพลิโซมคู่หนึ่งที่อยู่กับที่ซึ่งอยู่ที่เยื่อหุ้มเซลล์ ในการทดลองของพวกเขา เรพลิโซมในB. subtilisแต่ละอันถูกติดป้ายด้วยโปรตีนเรืองแสงสีเขียว และตำแหน่งของคอมเพล็กซ์ถูกตรวจสอบในเซลล์จำลองแบบโดยใช้กล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์หากเรพลิโซมเคลื่อนที่เหมือนรถไฟบนราง จะพบโปรตีนโพลีเมอเรส-GFP ในตำแหน่งที่แตกต่างกันในแต่ละเซลล์ อย่างไรก็ตาม ในเซลล์จำลองแบบแต่ละเซลล์ เรพลิโซมถูกตรวจพบเป็นจุดเรืองแสงที่แตกต่างกัน ซึ่งอยู่ที่หรือใกล้กับกึ่งกลางเซลล์ ดีเอ็นเอของเซลล์ที่ย้อมด้วยสีย้อมเรืองแสงสีน้ำเงิน (DAPI) ครอบครองพื้นที่ส่วนใหญ่ของไซโทพลาสซึมอย่างชัดเจน

• DNA+replisome ที่ห้องสมุดการแพทย์แห่งชาติสหรัฐอเมริกาMedical Subject Headings (MeSH)