幾乎地球上的所有生物都依賴于 DNA 復(fù)制。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)念中心的研究人員首次能夠觀察單個(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。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在 2017 年 6 月 15 日的 Cell 期刊上，論文標(biāo)題為“Independent and Stochastic Action of DNA Polymerases in the Replisome”。論文通信作者為加州大學(xué)戴維斯分校微生物學(xué)與分子遺傳學(xué)教授 Stephen Kowalczykowski 和斯隆凱特林癌癥紀(jì)念中心研究員 Kenneth Marians。論文第一作者為加州大學(xué)戴維斯分校博士后研究員 James Graham。

DNA 雙鏈復(fù)制存在極大的隨機(jī)性

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)制的第一步是解旋酶將 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。”