人類首次視頻捕捉到DNA複製過程，不少細節將改變已有認知

從細胞分裂到遺傳信息傳遞，幾乎地球上的所有生命體都離不開DNA複製這個過程。近日，科學家首次捕捉到DNA複製的連續影像資料，再次試圖破解這個小小的雙螺旋里的奧秘。

與之前的認知不同，這個過程遠比我們認為的混亂，因此也再一次將細胞是如何預防突變這個問題推到我們面前。該研究發表在近期的《Cell》雜誌上。

圖 | Stephen Kowalczykowski教授

該研究是由來自加州大學戴維斯分校的分子遺傳學教授Stephen Kowalczykowski的團隊完成的，他們藉助精密的成像技術和熒光染料，以大腸桿菌為實驗材料進行觀察。結果驚喜的發現，DNA的複製過程是充滿了隨機性的，某些部分與以往我們從教科書中學到的大相徑庭。

視頻 | Kowalczykowsk團隊拍攝的 DNA 複製過程

Kowalczykowski團隊的研究顯示，前導鏈上的聚合酶可以很容易的勻速工作，相比之下，後隨鏈上卻沒有這麼簡單。後隨鏈上的聚合酶工作起來更像是走走停停的車水馬龍，會毫無預示的停下又隨機的開始，速度可能相差十倍之多。看起來所謂的協同作用也許只是這種走走停停忽急忽慢過程的一個平均結果。這種不穩定的聚合速度就意味著存在更高的突變可能。

「兩條鏈之間是沒有協同可言的，他們完全是彼此獨立的，」Kowalczykowsk在研究中指出。「這不僅是對DNA複製方式認識的改變，同時也幫我們提出新的問題——這是思維模式的轉變，同時也將顛覆很多課本中的知識。」

圖丨1953年，詹姆斯·杜威·沃森（James Watson）和弗朗西斯·哈利·康普頓·克里克（Francis Harry Compton Crick）在《Nature》上發表了關於DNA雙螺旋結構的論文

但如果前導鏈和後隨鏈的合成速度並不一致，這就意味著，DNA雙鏈在某些時間內門戶大開，毫無防備，簡直就是敞開大門歡迎隨機突變的發生。問題是，生命體真的會任憑這種自殺式的複製過程發生么？

研究者同時發現，在複製過程中DNA分子同時使用了一種類似於交通上「失能開關」的裝置，這是一種當意外情況發生，可以自動動作的開關。當雙螺旋解旋過多，這個開關就會發揮作用讓解旋減緩，讓暫停工作的DNA聚合酶追上來。

這個機制對於減少突變至關重要，但也給我們提出新的問題：如果說雙鏈是分別工作的，那麼這個「失能開關」又是如何知道該減緩解旋呢？

那麼，教科書中學到的是什麼樣子的呢？讓我們隨著下面的視頻回顧一下：

提到DNA就不得不說說它的結構，它是由含有A、T、G、C四種鹼基的脫氧核糖核苷酸按照一定的順序排列配對並形成雙螺旋的。由於脫氧核糖核苷酸的結合都是按照特定方向形成的，因此組成DNA分子的兩條鏈分別具有方向性。

這就好比是一條高速公路，兩條鏈上的脫氧核糖就如同背道而馳的車流，而中間作為紐帶的鹼基就像是隔離帶一樣，保證DNA信息長河的秩序和穩定。

DNA在複製之初，首先需要在解螺旋酶的作用下進行解旋。雙鏈打開，其中一條叫做先導鏈，一條叫做後隨鏈，打開後的兩條鏈都各自成為模板，隨即複製開始。隨後，在DNA聚合酶的作用下兩條新DNA雙鏈形成，這個過程叫做半保留複製。

由於DNA是具有方向性的，DNA聚合酶在合成前導鏈時是持續合成的，而在後隨鏈時卻是不連續的。由於方向限制，後隨鏈上，聚合酶結合、移動、脫落，形成一段段叫做岡崎片段的DNA短片段。

而解旋後的DNA分子就如同缺少隔離帶的高速公路，時刻充滿了危險，解旋越多，危險的可能性越大—DNA突變的可能就越大。DNA的突變會帶來難以想像的後果，輕者免疫力下降、DNA受損，重者器官喪失功能甚至導致死亡。

一直以來，科學家們認為，自然界的DNA複製機制「應該是」規律的、有序的，進而來保證遺傳及生命的安全。因而猜測DNA聚合酶在這兩條單鏈上是勻速合成DNA且協同作用，通過某種不確定的機制確保二者的複製距離不至於太遠以保證複製的準確性。

然而，Kowalczykowski團隊的研究結果與人類之前的猜測大相徑庭，結結實實的給了這種「應該是」的科學結論一記重拳。

無論如何，該項研究在揭秘DNA複製真相的同時，也在警醒人類在本該無序的現實中強加秩序的願景會帶來多麼錯誤的結論。正如我們星球上的生命藍圖比我們想像的更無序，我們的DNA中仍舊有很多的神秘隨時準備顛覆我們已有的認知，或者掀翻我們自認為贏定了的賭局。

生命科學從來都不容許自作聰明。

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