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Cell改写教科书:首次亲眼见证!DNA复制与想象不同

2017-09-14来源:互联网

  来源:生物探索公众号

  编者按

  肺部具有造血功能、DNA 聚合酶不需要引物、小脑不仅控制平衡,这些新发现不断在改写着教科书。近日,发表在《细胞》杂志上的一项研究首次观察了单个DNA分子的复制画面。结果发现,DNA复制的随机性要比人们想象的要多得多。这一结论足以引发人们对DNA复制和其它生物学过程的重新思考。

  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。

  End

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

  2)百度百科:DNA复制