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捕捉到單個(gè)DNA分子的復(fù)制過(guò)程。盡管這段11秒的視頻看起來(lái)像是一款上個(gè)世紀(jì)的視頻游戲，但它清楚地記錄下DNA復(fù)制時(shí)散發(fā)熒光的單鏈由左向右延伸的過(guò)程。

此前人們一直認(rèn)為，DNA聚合酶構(gòu)建DNA雙鏈的過(guò)程是相互協(xié)調(diào)以某種方式協(xié)同工作的。然而，這項(xiàng)新研究卻有一些意外發(fā)現(xiàn)。有時(shí)候，一條單鏈會(huì)不可預(yù)測(cè)地停止延伸，而另一條單鏈還在持續(xù)；DNA復(fù)制的過(guò)程也會(huì)突然改變速率。這段視頻表明，DNA復(fù)制的雙鏈之間并無(wú)協(xié)調(diào)性，每條單鏈的合成都是完全獨(dú)立的。這項(xiàng)研究為DNA復(fù)制的機(jī)制提供了新的見(jiàn)解。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在6月15日的《細(xì)胞》期刊上。

DNA雙螺旋是由方向相反的兩條DNA單鏈組成的。每條單鏈都是由四種堿基（A、T、C和G）組成，并按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則形成DNA雙鏈。

DNA開(kāi)始復(fù)制時(shí)，解旋酶首先將DNA雙鏈解開(kāi)為兩條單鏈。而后，引發(fā)酶將引物附著到每條單鏈上，令DNA復(fù)制得以進(jìn)行。隨后，DNA聚合酶結(jié)合到引物上并沿著DNA單鏈移動(dòng)，添加新的堿基以形成新的DNA雙螺旋。復(fù)制體則是由解旋酶、引發(fā)酶和DNA聚合酶全酶組成的復(fù)合體。

此前人們認(rèn)為，在DNA復(fù)制時(shí)，復(fù)制體中負(fù)責(zé)前導(dǎo)鏈和滯后鏈復(fù)制的DNA聚合酶一定是相互協(xié)調(diào)的，以避免在新合成的鏈中出現(xiàn)明顯的缺口。

利用復(fù)雜的成像技術(shù)和熒光染料，研究人員觀察到來(lái)自大腸桿菌的單個(gè)DNA分子的復(fù)制，并且實(shí)時(shí)測(cè)量了DNA聚合酶完成這一過(guò)程的速度。

研究人員采用具有一段短末端的環(huán)狀DNA片段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將其附著到載玻片上。當(dāng)復(fù)制體繞著環(huán)狀DNA片段滾動(dòng)時(shí)，片段末端會(huì)變得更長(zhǎng)。他們可通過(guò)添加或移除ATP（ATP是DNA復(fù)制啟動(dòng)所必須的）來(lái)開(kāi)啟或關(guān)閉DNA復(fù)制，并采用一種可結(jié)合雙鏈DNA的熒光染料來(lái)觀察復(fù)制過(guò)程。最終，整套裝置都是在流動(dòng)室中進(jìn)行的，因此DNA鏈的延伸像是在微風(fēng)中飄揚(yáng)的旗幟一樣。

該研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)制體中的兩個(gè)DNA聚合酶是獨(dú)立發(fā)揮功能的。雖然DNA前導(dǎo)鏈和滯后鏈的平均復(fù)制速率相似，但兩個(gè)DNA聚合酶各自的軌跡會(huì)呈現(xiàn)出隨機(jī)地合成速率改變，期間還會(huì)發(fā)生明顯的暫停。滯后鏈合成停止時(shí)，前導(dǎo)鏈的合成還會(huì)持續(xù)進(jìn)行。這時(shí)發(fā)光的前導(dǎo)鏈上會(huì)出現(xiàn)黑暗區(qū)，因?yàn)檠芯渴褂玫臒晒馊玖喜粫?huì)附著到單鏈DNA上。

研究人員發(fā)現(xiàn)，解旋酶上存在著“自動(dòng)制動(dòng)器”，它能提前解開(kāi)DNA雙鏈。在DNA聚合酶暫停期間，解旋酶可能會(huì)繼續(xù)解開(kāi)雙螺旋，這讓DNA有一部分變成單鏈的狀態(tài)，這種解鏈DNA很容易受到損傷。事實(shí)上，暴露出來(lái)的單鏈DNA會(huì)在細(xì)胞內(nèi)發(fā)出一種警報(bào)信號(hào)來(lái)激活修復(fù)酶。

但基于自我調(diào)節(jié)機(jī)制，當(dāng)解旋酶從復(fù)制體上脫落下來(lái)并開(kāi)始遠(yuǎn)離復(fù)制體的剩余組分時(shí)，解旋酶速率會(huì)減緩80%。因此，解旋酶會(huì)緩慢地移動(dòng)直到DNA聚合酶得以與其重新配合，隨后解旋酶再次加速移動(dòng)。

這些特征告訴我們，DNA復(fù)制是一個(gè)更為動(dòng)態(tài)的不連續(xù)過(guò)程，復(fù)制體內(nèi)各組分的聯(lián)系會(huì)頻繁地?cái)嚅_(kāi)并重新形成。即使復(fù)制體內(nèi)的各組分會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)行為，但仍能保證DNA復(fù)制的完整性，這一過(guò)程不需要前導(dǎo)鏈和滯后鏈的相互協(xié)調(diào)。

該研究的通訊作者Kowalczykowski表示：“這是一種真正的范式轉(zhuǎn)移，顛覆了教科書(shū)中的許多內(nèi)容。”（編譯 張雪）

人類首次捕捉DNA復(fù)制鏡頭 DNA復(fù)制方式或遭改寫

圖文簡(jiǎn)介