科学家拍下 DNA 复制影片,意外发现 DNA 复制和他们想的不一样

作者 | 发布日期 2017 年 09 月 08 日 11:36 | 分类 生物科技
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【Technews科技新报】地球上大多生物都以 DNA 为遗传因子进行复制,DNA 的复制错误可能导致基因变异、癌症、先天缺陷或其他负面影响,因此,了解 DNA 复制的过程对医学及生物学都有重要意义。近期研究中科学家终于能观看 DNA 复制过程的每个步骤,并在其中获得一些有趣的发现,其实复制作用的调控比我们想像中还更没规律。



这项研究由加州大学戴维斯分校博士后研究员 James Graham 及纪念史隆凯特琳癌症研究中心(Memorial Sloan Kettering Cancer Center)Kenneth Marians 为共同作者,已于 6 月 15 日发布于科学期刊《Cell》。研究团队以精密复杂的成像技术,耗费许多时间才得以看到大肠杆菌的 DNA 复制过程,计算其中酵素运作机制并测量酵素在不同股 DNA 作用所需的时间。研究主持人、加州大学戴维斯分校综合癌症中心特聘微生物及分子遗传学教授 Stephen Kowalczykowski 表示,这项研究让他们以另一种角度思考 DNA 复制过程,也提出许多新的问题等待钻研。

DNA 双股螺旋结构是由两股方向相反的去氧核醣核酸长链构成,两股分别带有以 ATCG 代表的硷基序列,A 能和 T 形成键结,而 C 和 G 形成键结,两股 DNA 序列就能以这种“互补”方式互相结合。

DNA 复制过程的第一个步骤所需酵素称为解旋酶(helicase),它能将螺旋结构展开并将两股 DNA 拉开成两个单股序列。接着,另一个酵素引子酶(primase)会作为引子分别和单股 DNA 结合,让 DNA 聚合酶(DNA polymerase)得以附着在引子酶上开始复制。复制之后,DNA 聚合酶会沿着单股 DNA 模板将互补序列一个一个加上,慢慢形成新的双股 DNA。

由于原本双股 DNA 分开后,两股方向是相反的,而 DNA 聚合酶有固定的复制方向,使两股的 DNA 复制方式会不太一样,因此两股分别称为“领先股”(leading strand)和“延滞股”(lagging strand)。分开的两股 DNA 中,领先股在复制时原始双股 DNA 分开的方向与聚合酶合成新序列的方向相同,因此 DNA 聚合酶能连续不断加上序列,做出新一股。延滞股则因两股分开时露出新序列方向与 DNA 聚合酶行进方向相反,因此 DNA 聚合酶会先从露出的部分反向做出一部分互补序列,再往回跑到新露出的序列继续合成互补序列,直到碰到上一步已合成的部分,再由另一个酵素将新序列前后连起来,不断重复这样的过程直到复制完整条 DNA。奇妙的是这两股虽然复制方式不同,速度应该也会不一样,但实际两股复制的速度在细胞内非常协调,领先股复制速度并不会比延滞股快,因为一旦两股复制速度不同,单股的 DNA 很容易因为立体构造拉扯造成拉伸(stretches),并产生可能造成生物体危害的突变。

研究过程中,研究团队将环状 DNA 其中一股拉长固定在载玻片上,让 DNA 看起来像一 Q 字,尾端黏附在玻璃;当复制作用开始沿着环状 DNA 进行,新合成的 DNA 序列会让 Q 字的 DNA 尾巴越来越长。这种方法是为了让实验不受原始 DNA 长度限制,让研究团队可持续观察不断进行的 DNA 复制作用。研究团队在当中加入合成 DNA 所需的原料核苷三磷酸(nucleoside triphosphates,NTPs),并用带有可侦测结合双股 DNA 萤光的染剂(SYTOX Orange)标定双股 DNA,让正在合成的 DNA 因产生双股而能发出萤光来观察。

当研究团队开始观察个别 DNA 的复制情形,他们发现意料之外的现象。复制作用开始后会不时停顿,重新启动复制后速度会改变。对此 Kowalczykowski 表示,复制的速度最多可差到 10 倍左右。

研究团队发现,有时候延滞股暂停复制,但领先股仍会继续复制,因此原本整条发出萤光的 DNA 就会因为萤光染剂无法附着于单股 DNA 而出现黑色部分。Kowalczykowski 表示,他们发现两股间的复制并没有互相协调,而是各自独立运作。先前之所以会认为两股 DNA 复制互相协调速度相等,是由不规律的复制暂停及重启、变换不同复制速度随机造成的。这些各自独立且随机的复制作用综合起来,使得每个 DNA 聚合酶复制的速率都差不多。把一些 DNA 聚合酶随着时间合成 DNA 的情形放在一起看,当然会得到相同的复制速率。

Kowalczykowski 将这情形形容成高速公路的交通状况,有时候会看到隔壁车道好像行进速度较快超越了你,但很快又换到自己的车道行进较快再反超回去。整体来看的话,你们到达同样地点所花的时间是一样的。

除此之外,研究团队发现解旋酶中有类似机械操作的失能开关(dead man’s switch)机制。当解旋酶不断向前解开 DNA 双股结构,但后方聚合酶已停止运作时,解旋酶打开的部分单股 DNA 会特别脆弱,但也无法马上复制回复成双股结构,此时暴露在外的单股 DNA 就会发出讯号,活化修复所需酵素。与此同时,脱离其他复制单元独自往前的解旋酶也会将前进速率降低约 5 倍,缓慢前进直到后面其他酵素重新跟上,再回复原先的速率。

Kowalczykowski 表示,这些发现会改变我们对 DNA 复制及其他生化反应的看法,原先对这些生物体内机制的既有观念可能要大幅修正。

(首图来源:Flickr/Karl-Ludwig Poggemann CC BY 2.0)

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黄 斯沛

一直是学生,所以也一直在学习。喜欢世上所有美的事物,但审美观一直很随兴。思考时总是琐碎而纷杂的,喜欢东摸西摸到处看看写写。还在学着能够温柔而勇敢的凝视世界,哪怕逝者如斯,且共从容。
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