Cell改寫教科書：首次親眼見證！DNA複製與我們想象的並不同

6月15日，發表Cell雜誌上題為“Independent and Stochastic Action of DNA Polymerases in the Replisome”的研究中，科學家們首次觀察到了單個DNA分子的複製畫面，並且獲得了一些驚人的發現。研究稱，DNA複製的隨機性要比人們想象的要多得多。

DNA複製基本知識

正式介紹這一新發現前，先來複習一下DNA複製相關的基礎知識。DNA雙螺旋結構是由兩條方向相反的鏈構成。複製的第一步是在解旋酶（helicase）的作用下將雙螺旋結構拆成兩條單鏈。然後，在引物酶（primase）的作用下，每條單鏈獲得了開始複製所需的引物（primer）。接著，在DNA聚合酶的作用下，以母鏈為模板，以四種脫氧核苷酸為原料，合成與母鏈互補的子鏈，最終形成新的雙螺旋DNA。

由於組成雙螺旋的兩條鏈方向是相反的，因此，DNA聚合酶在兩條鏈上的工作方式並不同。在其中一條前導鏈（leading strand）中，聚合酶可以連續移動，即連續合成，直接產生一條新的雙鏈DNA。但另一條後隨鏈（lagging strand）的合成是不連續的。複製過程中是先形成岡崎片段（比較短的DNA鏈），最後由連接酶連成完整的一條鏈。

傳統的觀點認為，前導鏈和後隨鏈上的聚合酶在某種程度上是相互協調的，複製速度基本保持一致，從而保證其中一條鏈上的聚合酶不會領先於另一個。

實驗設計方法

在這項新研究中，利用先進的成像技術和極大的耐心，科學家們觀察了大腸桿菌的DNA複製，對比了參與複製的酶在不同DNA鏈上的工作情況。

為了進行這項實驗，研究人員使用了環狀DNA，通過一條“短尾巴”（short tail）附著在載玻片上。當複製機器（replication machinery，DNA聚合酶）繞著環狀DNA工作時，“尾巴”會變長。研究人員可以通過添加或去除化學燃料（三磷酸腺苷，ATP）來控制DNA複製的開和關。同時，他們利用結合DNA雙鏈的熒光染料使新合成的鏈亮起來。最後，整個裝置放在一個流動環境下。這樣DNA鏈能夠像橫幅在微風中一樣舒展開。

具體研究結果

當研究人員開始觀察單個DNA鏈，他們發現了一些意想不到的東西。複製的停止是不可預測的。此外，當它再次啟動時，還能改變速度。

該研究的共同通訊作者、加州大學戴維斯分校的Stephen C. Kowalczykowski教授說：“速度可能會有10倍的變化。有時，後隨鏈合成停止了，但先導鏈的合成卻在繼續增長。我們的研究證實，先導鏈和後隨鏈之間並沒有互相協調，它們完全是自主的。”

該研究認為，看似協調的步調，實際上是兩條鏈複製過程中啟動、停止、速度變化這些隨機過程共同導致的結果。隨著時間的推移，任何一條鏈都會以一個平均速度進行復制。同時觀察很多條鏈，結果會發現它們具有相同的平均速度。（Over time, any one strand will move at an average speed; look at a number of strands at the same time, and they will have the same average speed.）

Kowalczykowski教授把這種現象比喻成高速公路上的交通狀況。他說：“有時候，車道上的車會開得很快，超過你的車，然後，你又會超過它。但如果開得足夠遠，兩輛車會在同一時間到達同一個地方。”

此外，研究人員還發現，解旋酶上存在“自動剎車”。事實上，當聚合酶停止時，解旋酶能繼續工作。這可能會打開一段易受損傷的、鬆散的DNA缺口。

但這項研究證明，當解旋酶與其它複製複合體（replication complex，參與DNA複製的各種酶等）“步調”不一致時，它會將自己的節奏放慢約5倍，並且它會保持這樣的速度，直到其它的酶追趕上來，然而自己再加速。

Kowalczykowski教授表示，這種新的隨機觀點將成為思考DNA複製和其它生物學過程的新途徑。“這是一種真正的範式轉變，破壞了教科書中大量的內容。”他說。