幾乎所有地球上的生命都是基于被復(fù)制或復(fù)制的DNA。現(xiàn)在科學(xué)家們第一次能夠觀察到單個(gè)DNA分子的復(fù)制，并有一些令人驚訝的發(fā)現(xiàn)。首先，工作中的隨機(jī)性比想象的要多得多。加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校的微生物學(xué)和分子遺傳學(xué)著名教授Stephen Kowalczykowski說(shuō)：“這是一種不同的復(fù)制方式，提出了新問(wèn)題。” 這項(xiàng)工作于6月15日發(fā)表在Cell雜志上，與合著者James Graham，加州大學(xué)戴維斯分校的博士后研究員和Sloan Kettering癌癥中心的Kenneth Marians合著。

利用先進(jìn)的成像技術(shù)和極大的耐心，研究人員能夠在復(fù)制時(shí)觀察大腸桿菌中的 DNA，并測(cè)量酶機(jī)械在不同鏈上的作用速度。

DNA復(fù)制基礎(chǔ)知識(shí)

DNA雙螺旋由兩條沿相反方向延伸的鏈制成。每條鏈由一系列堿基A，T，C和G組成，它們?cè)阪溨g配對(duì)：A至T和C至G.

復(fù)制的第一步是稱為解旋酶的酶，它將雙螺旋展開(kāi)并“解壓縮”成兩條單鏈。一種名為primase的酶在每條鏈上附加一個(gè)“引物”，允許復(fù)制開(kāi)始，然后另一種稱為DNA聚合酶的酶附著在引物上并沿著鏈移動(dòng)，添加新的“字母”以形成新的雙螺旋。

因?yàn)殡p螺旋中的兩條鏈以相反的方向運(yùn)行，所以聚合酶在兩條鏈上的工作方式不同。在一條鏈 - “前導(dǎo)鏈” - 聚合酶可以連續(xù)移動(dòng)，留下一條新的雙鏈DNA。

但另一方面，“滯后鏈”，聚合酶必須在開(kāi)始時(shí)移動(dòng)，附著，產(chǎn)生一小段雙鏈DNA然后再次下降并重新開(kāi)始。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，領(lǐng)先和滯后鏈上的聚合酶以某種方式協(xié)調(diào)，以便一個(gè)人不會(huì)超越另一個(gè)。實(shí)驗(yàn)：滾動(dòng)圈和熒光染料

為了進(jìn)行他們的實(shí)驗(yàn)，研究人員使用了一個(gè)圓形的DNA片段，用一條短尾巴附著在載玻片上。當(dāng)復(fù)制機(jī)器繞圓圈滾動(dòng)時(shí)，尾部變長(zhǎng)。他們可以通過(guò)添加或去除化學(xué)燃料(三磷酸腺苷，ATP)來(lái)打開(kāi)或關(guān)閉復(fù)制，并使用附著在雙鏈DNA上的熒光染料點(diǎn)亮生長(zhǎng)的鏈。最后，整個(gè)設(shè)置在流動(dòng)室中，因此DNA鏈在微風(fēng)中像橫幅一樣伸展。

停止，開(kāi)始和變速

一旦Graham，Kowalczykowski和Marians開(kāi)始觀察單個(gè)DNA鏈，他們就會(huì)發(fā)現(xiàn)意想不到的事情。復(fù)制以不可預(yù)測(cè)的方式停止，當(dāng)它再次啟動(dòng)時(shí)可以改變速度。

“速度可以變化大約十倍，”Kowalczykowski說(shuō)。

有時(shí)滯后鏈合成停止，但前導(dǎo)鏈繼續(xù)生長(zhǎng)。這顯示為發(fā)光鏈中的暗區(qū)，因?yàn)槿玖喜粫?huì)粘附到單鏈DNA上。

“我們已經(jīng)證明了這些股之間沒(méi)有協(xié)調(diào)。他們是完全自主的，”Kowalczykowski說(shuō)。

看似協(xié)調(diào)的實(shí)際上是隨機(jī)啟動(dòng)，停止和變速的過(guò)程的結(jié)果。隨著時(shí)間的推移，任何一條鏈都會(huì)以平均速度移動(dòng); 同時(shí)看一些股線，它們將具有相同的平均速度。

Kowalczykowski把它比作高速公路上的交通。

“有時(shí)一條路上的車(chē)流量越來(lái)越快，經(jīng)過(guò)你，然后你就過(guò)去了。但如果你旅行得足夠遠(yuǎn)，你就可以同時(shí)到達(dá)同一個(gè)地方。”

研究人員還在解旋酶上找到了一種“死人的手柄”或自動(dòng)制動(dòng)器，它可以在其他酶之前解開(kāi)DNA。當(dāng)聚合酶停止時(shí)，解旋酶可以繼續(xù)移動(dòng)，可能會(huì)打開(kāi)可能易受損傷的未纏繞DNA缺口。事實(shí)上，暴露的單鏈DNA在細(xì)胞內(nèi)引發(fā)了一個(gè)激活修復(fù)酶的警報(bào)信號(hào)。

但事實(shí)證明，當(dāng)它解耦并開(kāi)始遠(yuǎn)離復(fù)制復(fù)合物的其余部分時(shí)，解旋酶減慢了大約五倍。因此，它可以隨意，直到其余的酶趕上，然后再次加速。

Kowalczykowski說(shuō)，這種新的隨機(jī)方法是一種思考DNA復(fù)制和其他生化過(guò)程的新方法。“這是一個(gè)真正的范式轉(zhuǎn)變，并破壞了教科書(shū)中的大量?jī)?nèi)容，”他說(shuō)。