顛覆教科書，DNA複製方式或遭改寫

美國加州大學戴維斯分校和斯隆凱特林癌症紀念中心的研究人員首次捕捉到單個DNA分子的複製過程。儘管這段11秒的視頻看起來像是一款上個世紀的視頻遊戲，但它清楚地記錄下DNA複製時散發熒光的單鏈由左向右延伸的過程。

此前人們一直認為，DNA聚合酶構建DNA雙鏈的過程是相互協調以某種方式協同工作的。然而，這項新研究卻有一些意外發現。有時候，一條單鏈會不可預測地停止延伸，而另一條單鏈還在持續；DNA複製的過程也會突然改變速率。這段視頻表明，DNA複製的雙鏈之間並無協調性，每條單鏈的合成都是完全獨立的。這項研究為DNA複製的機制提供了新的見解。相關研究結果發表在6月15日的《細胞》期刊上。

DNA雙螺旋是由方向相反的兩條DNA單鏈組成的。每條單鏈都是由四種鹼基（A、T、C和G）組成，並按照鹼基互補配對原則形成DNA雙鏈。

DNA開始複製時，解旋酶首先將DNA雙鏈解開為兩條單鏈。而後，引發酶將引物附著到每條單鏈上，令DNA複製得以進行。隨後，DNA聚合酶結合到引物上並沿著DNA單鏈移動，添加新的鹼基以形成新的DNA雙螺旋。複製體則是由解旋酶、引發酶和DNA聚合酶全酶組成的複合體。

此前人們認為，在DNA複製時，複製體中負責前導鏈和滯後鏈複製的DNA聚合酶一定是相互協調的，以避免在新合成的鏈中出現明顯的缺口。

利用複雜的成像技術和熒光染料，研究人員觀察到來自大腸桿菌的單個DNA分子的複製，並且實時測量了DNA聚合酶完成這一過程的速度。

研究人員採用具有一段短末端的環狀DNA片段進行實驗，並將其附著到載玻片上。當複製體繞著環狀DNA片段滾動時，片段末端會變得更長。他們可通過添加或移除ATP（ATP是DNA複製啟動所必須的）來開啟或關閉DNA複製，並採用一種可結合雙鏈DNA的熒光染料來觀察複製過程。最終，整套裝置都是在流動室中進行的，因此DNA鏈的延伸像是在微風中飄揚的旗幟一樣。

該研究發現，複製體中的兩個DNA聚合酶是獨立發揮功能的。雖然DNA前導鏈和滯後鏈的平均複製速率相似，但兩個DNA聚合酶各自的軌跡會呈現出隨機地合成速率改變，期間還會發生明顯的暫停。滯後鏈合成停止時，前導鏈的合成還會持續進行。這時發光的前導鏈上會出現黑暗區，因為研究使用的熒光染料不會附著到單鏈DNA上。

研究人員發現，解旋酶上存在著「自動制動器」，它能提前解開DNA雙鏈。在DNA聚合酶暫停期間，解旋酶可能會繼續解開雙螺旋，這讓DNA有一部分變成單鏈的狀態，這種解鏈DNA很容易受到損傷。事實上，暴露出來的單鏈DNA會在細胞內發出一種警報信號來激活修復酶。

但基於自我調節機制，當解旋酶從複製體上脫落下來並開始遠離複製體的剩餘組分時，解旋酶速率會減緩80%。因此，解旋酶會緩慢地移動直到DNA聚合酶得以與其重新配合，隨後解旋酶再次加速移動。

這些特徵告訴我們，DNA複製是一個更為動態的不連續過程，複製體內各組分的聯繫會頻繁地斷開並重新形成。即使複製體內的各組分會出現隨機行為，但仍能保證DNA複製的完整性，這一過程不需要前導鏈和滯後鏈的相互協調。

該研究的通訊作者Kowalczykowski表示：「這是一種真正的範式轉移，顛覆了教科書中的許多內容。」

編譯張雪

稿件來源：《環球科學》

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