第二看台

    美国加州大学戴维斯分校和斯隆凯特林癌症纪念中心的研究人员首次捕捉到单个DNA分子的复制过程。尽管这段11秒的视频看起来像是一款上个世纪的视频游戏，但它清楚地记录下DNA复制时散发荧光的单链由左向右延伸的过程。

    此前人们一直认为，DNA聚合酶构建DNA双链的过程是相互协调以某种方式协同工作的。然而，这项新研究却有一些意外发现。有时候，一条单链会不可预测地停止延伸，而另一条单链还在持续；DNA复制的过程也会突然改变速率。这段视频表明，DNA复制的双链之间并无协调性，每条单链的合成都是完全独立的。这项研究为DNA复制的机制提供了新的见解。相关研究结果发表在6月15日的《细胞》期刊上。

    DNA双螺旋是由方向相反的两条DNA单链组成的。每条单链都是由四种碱基（A、T、C和G）组成，并按照碱基互补配对原则形成DNA双链。

    DNA开始复制时，解旋酶首先将DNA双链解开为两条单链。而后，引发酶将引物附着到每条单链上，令DNA复制得以进行。随后，DNA聚合酶结合到引物上并沿着DNA单链移动，添加新的碱基以形成新的DNA双螺旋。复制体则是由解旋酶、引发酶和DNA聚合酶全酶组成的复合体。

    此前人们认为，在DNA复制时，复制体中负责前导链和滞后链复制的DNA聚合酶一定是相互协调的，以避免在新合成的链中出现明显的缺口。

    利用复杂的成像技术和荧光染料，研究人员观察到来自大肠杆菌的单个DNA分子的复制，并且实时测量了DNA聚合酶完成这一过程的速度。

    研究人员采用具有一段短末端的环状DNA片段进行实验，并将其附着到载玻片上。当复制体绕着环状DNA片段滚动时，片段末端会变得更长。他们可通过添加或移除ATP（ATP是DNA复制启动所必须的）来开启或关闭DNA复制，并采用一种可结合双链DNA的荧光染料来观察复制过程。最终，整套装置都是在流动室中进行的，因此DNA链的延伸像是在微风中飘扬的旗帜一样。

    该研究发现，复制体中的两个DNA聚合酶是独立发挥功能的。虽然DNA前导链和滞后链的平均复制速率相似，但两个DNA聚合酶各自的轨迹会呈现出随机地合成速率改变，期间还会发生明显的暂停。滞后链合成停止时，前导链的合成还会持续进行。这时发光的前导链上会出现黑暗区，因为研究使用的荧光染料不会附着到单链DNA上。

    研究人员发现，解旋酶上存在着“自动制动器”，它能提前解开DNA双链。在DNA聚合酶暂停期间，解旋酶可能会继续解开双螺旋，这让DNA有一部分变成单链的状态，这种解链DNA很容易受到损伤。事实上，暴露出来的单链DNA会在细胞内发出一种警报信号来激活修复酶。

    但基于自我调节机制，当解旋酶从复制体上脱落下来并开始远离复制体的剩余组分时，解旋酶速率会减缓80%。因此，解旋酶会缓慢地移动直到DNA聚合酶得以与其重新配合，随后解旋酶再次加速移动。

    这些特征告诉我们，DNA复制是一个更为动态的不连续过程，复制体内各组分的联系会频繁地断开并重新形成。即使复制体内的各组分会出现随机行为，但仍能保证DNA复制的完整性，这一过程不需要前导链和滞后链的相互协调。

    该研究的通讯作者Kowalczykowski表示：“这是一种真正的范式转移，颠覆了教科书中的许多内容。”

    编译张雪 

    稿件来源：《环球科学》