Cell改写教科书：首次亲眼见证！DNA复制与我们想象的并不同

6月15日，发表Cell杂志上题为“Independent and Stochastic Action of DNA Polymerases in the Replisome”的研究中，科学家们首次观察到了单个DNA分子的复制画面，并且获得了一些惊人的发现。研究称，DNA复制的随机性要比人们想象的要多得多。

1DNA复制基本知识

正式介绍这一新发现前，先来复习一下DNA复制相关的基础知识。DNA双螺旋结构是由两条方向相反的链构成。复制的第一步是在解旋酶（helicase）的作用下将双螺旋结构拆成两条单链。然后，在引物酶（primase）的作用下，每条单链获得了开始复制所需的引物（primer）。接着，在DNA聚合酶的作用下，以母链为模板，以四种脱氧核苷酸为原料，合成与母链互补的子链，最终形成新的双螺旋DNA。

由于组成双螺旋的两条链方向是相反的，因此，DNA聚合酶在两条链上的工作方式并不同。在其中一条前导链（leading strand）中，聚合酶可以连续移动，即连续合成，直接产生一条新的双链DNA。但另一条后随链（lagging strand）的合成是不连续的。复制过程中是先形成冈崎片段（比较短的DNA链），最后由连接酶连成完整的一条链。

传统的观点认为，前导链和后随链上的聚合酶在某种程度上是相互协调的，复制速度基本保持一致，从而保证其中一条链上的聚合酶不会领先于另一个。

2实验设计方法

在这项新研究中，利用先进的成像技术和极大的耐心，科学家们观察了大肠杆菌的DNA复制，对比了参与复制的酶在不同DNA链上的工作情况。

为了进行这项实验，研究人员使用了环状DNA，通过一条“短尾巴”（short tail）附着在载玻片上。当复制机器（replication machinery，DNA聚合酶）绕着环状DNA工作时，“尾巴”会变长。研究人员可以通过添加或去除化学燃料（三磷酸腺苷，ATP）来控制DNA复制的开和关。同时，他们利用结合DNA双链的荧光染料使新合成的链亮起来。最后，整个装置放在一个流动环境下。这样DNA链能够像横幅在微风中一样舒展开。

3具体研究结果

当研究人员开始观察单个DNA链，他们发现了一些意想不到的东西。复制的停止是不可预测的。此外，当它再次启动时，还能改变速度。

该研究的共同通讯作者、加州大学戴维斯分校的Stephen C. Kowalczykowski教授说：“速度可能会有10倍的变化。有时，后随链合成停止了，但先导链的合成却在继续增长。我们的研究证实，先导链和后随链之间并没有互相协调，它们完全是自主的。”

该研究认为，看似协调的步调，实际上是两条链复制过程中启动、停止、速度变化这些随机过程共同导致的结果。随着时间的推移，任何一条链都会以一个平均速度进行复制。同时观察很多条链，结果会发现它们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教授把这种现象比喻成高速公路上的交通状况。他说：“有时候，车道上的车会开得很快，超过你的车，然后，你又会超过它。但如果开得足够远，两辆车会在同一时间到达同一个地方。”

此外，研究人员还发现，解旋酶上存在“自动刹车”。事实上，当聚合酶停止时，解旋酶能继续工作。这可能会打开一段易受损伤的、松散的DNA缺口。

但这项研究证明，当解旋酶与其它复制复合体（replication complex，参与DNA复制的各种酶等）“步调”不一致时，它会将自己的节奏放慢约5倍，并且它会保持这样的速度，直到其它的酶追赶上来，然而自己再加速。

Kowalczykowski教授表示，这种新的随机观点将成为思考DNA复制和其它生物学过程的新途径。“这是一种真正的范式转变，破坏了教科书中大量的内容。”他说。

参考资料：1）Close-Up View of DNA Replication Yields Surprises

2）百度百科：DNA复制