Hình 2: Một ADN-NST nhân đôi theo hai chiều cùng lúc, khởi đầu từ điểm Ori, rồi hoàn thành tại điểm kết thúc (terminus). Sơ đồ phỏng theo mô hình máy tính của Daniel Yuen.

Sự nhân đôi của NST nhân sơ thực chất là sự nhân đôi của ADN vòng. Quá trình này đã được nghiên cứu chi tiết ở trực khuẩn lỵ (E. coli) và trực khuẩn suptitit (Bacillus subtilis). Những mô tả sau đây lấy từ các nghiên cứu tổng quát về nhân đôi ADN ở hai loài trực khuẩn này.

Quá trình nhân đôi của ADN nói chung, cũng như của ADN-NST nói riêng được chia thành ba giai đoạn chính: khởi đầu, kéo dài và kết thúc.[3][4][7]

Khởi đầu

Điểm Ori trên ADN này có trình tự nu. được nhận biết bởi một loại protein riêng biệt gọi là DnaA. Khi nó liên kết với Ori, thì các enzym và một số protein khác được kích hoạt, dẫn đến việc thành lập hai phức hợp gọi là replisome (thể nhân đôi) để tiến hành nhân đôi theo hai chiều.[10]Sau đó enzym gyraza tiến hành quá trình tháo xoắn, rồi hêlicaza cắt các liên kết hydro ở một đoạn của chuỗi xoắn kép ADN, tách dần thành hai chuỗi đơn (chuỗi khuôn), tạo thành chạc nhân đôi (replication fork) mà Sinh học phổ thông dịch là "chạc chữ Y", rồi enzym này tương tác với primaza.[11][12] Đồng thời trạng thái mạch thẳng của chuỗi khuôn được duy trì bởi nhiều cơ chế, như ở E. coli thì có các phân tử prôtêin SSB (single strand binding protein) gắn vào.[3][4]

Kéo dài

Quá trình kéo dài (elongation) là giai đoạn lâu nhất, trong đó các nu. tự do được lắp vào chuỗi khuôn theo nguyên tắc bổ sung (A=T, G≡X) nhờ vai trò chủ chốt của enzym ADN pôlymeraza. Enzym này trượt đến đâu thì lắp nuclêôtit mới đã được hoạt hóa đến đấy, đồng thời gắn các nuclêôtit vừa được lắp trên mạch khuôn với nhau bằng liên kết phôtphođieste, tạo nên mạch pôlynuclêôtit mới gắn với mạch khuôn bằng liên kết hyđrô.

Vì enzim ADN pôlymeraza chỉ có thể lắp nuclêôtit tự do vào đầu 3’ của mỗi mạch khuôn, nên chuỗi mới tạo thành theo chiều 5’- 3’. Do đó, chuỗi tổng hợp từ mạch khuôn có đầu 3’ được tạo thành liên tục hướng vào trong chạc chữ Y và xong trước. Còn trên mạch khuôn kia (đầu 5’) thì chuỗi mới được tổng hợp muộn hơn, ngược với hướng phát triển của chạc chữ Y, thành nhiều đoạn ngắn gọi là đoạn Ôkazaki, rồi loại enzim khác là ligaza nối các đoạn Ôkazaki này với nhau thành chuỗi liên tục (hình 3).

Kết thúc

Khi các phân tử ADN pôlymeraza trượt hết mạch khuôn, thì 2 ADN mới (ADN "con") được sinh ra, cùng giống phân tử ADN "mẹ". Mỗi "con", chỉ có một chuỗi là hoàn toàn mới, còn chuỗi kia vốn là của "mẹ" ban đầu làm khuôn, nên ta nói sự nhân đôi này theo nguyên tắc bán bảo tồn (giữ lại một nửa). Vùng đầu cuối chứa vị trí kết thúc sao chép DNA gọi là "Ter" (terminus, tức vị trí kết thúc). Một protein "terminator sao chép" đặc biệt được gắn vào vị trí Ter này chấm dứt nhân đôi.

Hình 3: Cơ chế tổng quát của quá trình nhân đôi ADN ở nhân sơ.