Cell：重磅发现！原来 DNA 的复制比我们想象的还要“任性”

      近期，刊登在Cell上的一篇题目为《Independent and Stochastic Action of DNA Polymerases in the Replisome》的文章引起了生物学界的轰动，其作者为加州大学戴维斯分校、斯隆凯特琳癌症中心博士后研究员James Graham 。本研究凭借复杂的成像技术和大量的耐心，观察大肠杆菌的 DNA，测量了酶机制对不同链条的作用有多快。他们创奇迹般的摄录了单个 DNA 分子复制的近距离高清无码影像，看到了单个 DNA 复制的全部步骤，而且惊人的发现——DNA 复制的随机性比我们想象得还要多。

DNA复制基础

      

      DNA 双螺旋结构是由反向互补的两条链制成。每条链由一系列碱基 A，T，C 和 G 组成，两条单链按照碱基配对（A→T，C→G）的原则形成DNA双链。

      DNA复制的第一步是解旋酶将DNA双链解开为两条单链。一种被称作引发酶的酶将引物附着到每条单链上，从而允许DNA复制开始，随后另一种被称作DNA复合酶的酶结合到引物上，沿着DNA单链移动，添加新的碱基，从而形成新的DNA双螺旋。

      复制体是一种多蛋白复合体，包括DNA聚合酶、引物酶、解旋酶、单链结合蛋白和其他辅助因子。复制体位于每个复制叉处，进行DNA链的聚合反应。

      鉴于DNA双螺旋中的这两条单链具有相反的走向，DNA聚合酶在这两条单链中发挥的作用存在差异。在一条被称作前导链（leading strand）的单链上，DNA聚合酶能够持续地移动，从而为在它的后面形成新的双链DNA开路。

      针对另一条被称作滞后链（lagging strand）的单链而言，DNA聚合酶必须先开始移动，结合到这条滞后链上，产生短的双链DNA片段，接着从这条滞后链上脱落下来，随后重新开始这一系列步骤。普遍的看法是在前导链和滞后链上的DNA聚合酶在某种程度上进行配合以至于一条单链的复制不会领先于另一条单链。

     

      传统的观点是，前导和滞后链中的 DNA 聚合酶以某种方式进行协调，使得不会超前于另一种。如果确实发生这种情况，它会产生很多受损的 DNA 片段从而引发突变。

单个DNA 复制是如何被发现

      

      研究人员将环状 DNA，通过一条短尾巴附着在载玻片上。随着复制机器绕圈旋转，尾部变长。它们可以通过添加化学燃料（核苷三磷酸，NTPs）来控制复制，并使用可连接到双链 DNA 上的荧光染料来使合成链发亮。最后，整个设置在流动室中，DNA 链在微风中像横幅一样伸展。

       研究发现，复制终止不可预测，当复制再次启动时甚至可以改变复制的速度。在镜头中，时而滞后链停止运行，但前导链继续增长（由于染料不连接在单链 DNA上，因此在发光链中显示为黑色区域）。时而其中一条链突然以 10 倍正常速度开始复制，毫无规律可寻。此外，由于缺乏协调性，DNA 甚至可以一脚踢开解旋酶来暂停复制，以使 DNA 聚合酶赶上进度。

       这种随机复制可以说是 DNA 复制的新发现，我们要重新思考生物化学过程。这是一个模式的转变，和教科书上的内容完全不同。