人類首次捕捉DNA復制鏡頭 DNA復制方式或遭改寫

美國加州大學戴維斯分校和斯隆凱特林癌症紀念中心的研究人員首次捕捉到單個DNA分子的復制過程。盡管這段11秒的視頻看起來像是一款上個世紀的視頻游戲，但它清楚地記錄下DNA復制時散發熒光的單鏈由左向右延伸的過程。

此前人們一直認為，DNA聚合?構建DNA雙鏈的過程是相互協調以某種方式協同工作的。然而，這項新研究卻有一些意外發現。有時候，一條單鏈會不可預測地停止延伸，而另一條單鏈還在持續﹔DNA復制的過程也會突然改變速率。這段視頻表明，DNA復制的雙鏈之間並無協調性，每條單鏈的合成都是完全獨立的。這項研究為DNA復制的機制提供了新的見解。相關研究結果發表在6月15日的《細胞》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鹼基（A、T、C和G）組成，並按照鹼基互補配對原則形成DNA雙鏈。

DNA開始復制時，解旋?首先將DNA雙鏈解開為兩條單鏈。而后，引發?將引物附著到每條單鏈上，令DNA復制得以進行。隨后，DNA聚合?結合到引物上並沿著DNA單鏈移動，添加新的鹼基以形成新的DNA雙螺旋。復制體則是由解旋?、引發?和DNA聚合?全?組成的復合體。

此前人們認為，在DNA復制時，復制體中負責前導鏈和滯后鏈復制的DNA聚合?一定是相互協調的，以避免在新合成的鏈中出現明顯的缺口。

利用復雜的成像技術和熒光染料，研究人員觀察到來自大腸杆菌的單個DNA分子的復制，並且實時測量了DNA聚合?完成這一過程的速度。

研究人員採用具有一段短末端的環狀DNA片段進行實驗，並將其附著到載玻片上。當復制體繞著環狀DNA片段滾動時，片段末端會變得更長。他們可通過添加或移除ATP（ATP是DNA復制啟動所必須的）來開啟或關閉DNA復制，並採用一種可結合雙鏈DNA的熒光染料來觀察復制過程。最終，整套裝置都是在流動室中進行的，因此DNA鏈的延伸像是在微風中飄揚的旗幟一樣。

該研究發現，復制體中的兩個DNA聚合?是獨立發揮功能的。雖然DNA前導鏈和滯后鏈的平均復制速率相似，但兩個DNA聚合?各自的軌跡會呈現出隨機地合成速率改變，期間還會發生明顯的暫停。滯后鏈合成停止時，前導鏈的合成還會持續進行。這時發光的前導鏈上會出現黑暗區，因為研究使用的熒光染料不會附著到單鏈DNA上。

研究人員發現，解旋?上存在著“自動制動器”，它能提前解開DNA雙鏈。在DNA聚合?暫停期間，解旋?可能會繼續解開雙螺旋，這讓DNA有一部分變成單鏈的狀態，這種解鏈DNA很容易受到損傷。事實上，暴露出來的單鏈DNA會在細胞內發出一種警報信號來激活修復?。

但基於自我調節機制，當解旋?從復制體上脫落下來並開始遠離復制體的剩余組分時，解旋?速率會減緩80%。因此，解旋?會緩慢地移動直到DNA聚合?得以與其重新配合，隨后解旋?再次加速移動。

這些特征告訴我們，DNA復制是一個更為動態的不連續過程，復制體內各組分的聯系會頻繁地斷開並重新形成。即使復制體內的各組分會出現隨機行為，但仍能保証DNA復制的完整性，這一過程不需要前導鏈和滯后鏈的相互協調。

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