Cell：顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知！DNA雙鏈復(fù)制存在極大的隨機(jī)性

　　幾乎地球上的所有生物都依賴于DNA復(fù)制。本文威正翔禹/締一生物為您分析Cell：顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知！DNA雙鏈復(fù)制存在極大的隨機(jī)性。

　　如今，來自美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校和斯隆·凱特林癌癥紀(jì)念中心的研究人員**能夠觀察單個(gè)DNA分子的復(fù)制，并且取得一些令人吃驚的發(fā)現(xiàn)。

　　研究人員發(fā)現(xiàn)，這種復(fù)制存在的隨機(jī)性要比人們想象中的大很多。

　　通過使用復(fù)雜的成像技術(shù)和付出很大的耐心，這些研究人員能夠在來自大腸桿菌的DNA復(fù)制時(shí)觀察它，并且測(cè)量復(fù)制體（replisome）如何在不同的DNA單鏈上發(fā)揮作用。

　　DNA復(fù)制基礎(chǔ)知識(shí)

　　DNA雙螺旋是由兩條方向相反的DNA單鏈組成的。每條單鏈?zhǔn)怯梢幌盗袎A基（A、T、C和G）組成的。兩條單鏈按照堿基配對(duì)（A→T，C→G）的原則形成DNA雙鏈。

　　DNA復(fù)制的**步是解旋酶將DNA雙鏈解開為兩條單鏈。一種被稱作引發(fā)酶的酶將引物附著到每條單鏈上，從而允許DNA復(fù)制開始，隨后另一種被稱作DNA復(fù)合酶的酶結(jié)合到引物上，沿著DNA單鏈移動(dòng)，添加新的堿基，從而形成新的DNA雙螺旋。

　　復(fù)制體是一種多蛋白復(fù)合體，包括DNA聚合酶、引物酶、解旋酶、單鏈結(jié)合蛋白和其他輔助因子。復(fù)制體位于每個(gè)復(fù)制叉處，進(jìn)行DNA鏈的聚合反應(yīng)。

　　鑒于DNA雙螺旋中的這兩條單鏈具有相反的走向，DNA聚合酶在這兩條單鏈中發(fā)揮的作用存在差異。

　　在一條被稱作前導(dǎo)鏈（leading strand）的單鏈上，DNA聚合酶能夠持續(xù)地移動(dòng)，從而為在它的后面形成新的雙鏈DNA開路。

　　針對(duì)另一條被稱作滯后鏈（lagging strand）的單鏈而言，DNA聚合酶必須先開始移動(dòng)，結(jié)合到這條滯后鏈上，產(chǎn)生短的雙鏈DNA片段，接著從這條滯后鏈上脫落下來，隨后重新開始這一系列步驟。

　　普遍的看法是在前導(dǎo)鏈和滯后鏈上的DNA聚合酶在某種程度上進(jìn)行配合以至于一條單鏈的復(fù)制不會(huì)領(lǐng)先于另一條單鏈。

　　實(shí)驗(yàn)：滾環(huán)復(fù)制和熒光染料

　　為了開展實(shí)驗(yàn)，這些研究人員使用了環(huán)狀DNA片段，并且該片段利用一段短的尾巴附著到載玻片上。

　　當(dāng)這種復(fù)制體繞著這種環(huán)狀DNA片段滾動(dòng)時(shí)，這段尾巴變得更長(zhǎng)。他們能夠通過添加或移除ATP（一種化學(xué)燃料分子）和一種熒光染料（在復(fù)制時(shí)，能夠結(jié)合到雙鏈DNA上，發(fā)出熒光）開啟或關(guān)閉DNA復(fù)制。

　　最后，這一切都是一種流動(dòng)腔中發(fā)生的，因此這些DNA鏈像在微風(fēng)中的旗幟那樣向外延伸。

　　停止、開始和可變的復(fù)制速度

　　一旦Graham、Kowalczykowski和Marians開始觀察單個(gè)DNA鏈，他們就取得意料之外的發(fā)現(xiàn)。復(fù)制不可預(yù)見地停止，而且當(dāng)再次開始復(fù)制時(shí)，復(fù)制速度能夠發(fā)生變化。這種復(fù)制速度能夠改變大約10倍。

　　滯后鏈合成有時(shí)會(huì)停止，但是前導(dǎo)鏈合成持續(xù)進(jìn)行。這會(huì)在發(fā)光的前導(dǎo)鏈上出現(xiàn)黑暗區(qū)，這是因?yàn)檫@種染料不會(huì)附著到單鏈DNA上。

　　Kowalczykowski說，“我們證實(shí)這兩條單鏈之間不存在協(xié)調(diào)。它們是完全自主的。”

　　看起來像是存在協(xié)調(diào)的樣子實(shí)際上是復(fù)制起始、停止和速度變化隨機(jī)發(fā)生的結(jié)果。在一段時(shí)間之后，任何一條單鏈按照平均速度進(jìn)行復(fù)制；同時(shí)觀察多條單鏈，它們將具有相同的平均復(fù)制速度。

　　這些研究人員也發(fā)現(xiàn)解旋酶上存在“安全手柄”或者說自動(dòng)制動(dòng)器，這種酶在其余的酶之前讓DNA解開雙鏈。當(dāng) DNA聚合酶停下來時(shí)，解旋酶能夠持續(xù)移動(dòng)，潛在地打開一個(gè)解鏈的DNA缺口而可能容易遭受損傷。事實(shí)上，暴露出來的單鏈DNA在細(xì)胞內(nèi)發(fā)出一種警報(bào)信號(hào)來激活修復(fù)酶。

　　但是，結(jié)果是當(dāng)解旋酶從復(fù)制體上脫落下來，開始遠(yuǎn)離復(fù)制體的剩余部分時(shí)，它的移動(dòng)速度減慢大約5倍。因此，它慢慢地移動(dòng)直到復(fù)制體的剩余部分追趕上來，隨后它再次加速移動(dòng)。

　　Kowalczykowski說，這種新的隨機(jī)方法是一種思考DNA復(fù)制和其他的生化過程的新方法。他說，“這是一種真正的觀念變化，顛覆了教科書中的很多東西。”

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