心与宇宙（第三辑）颠覆传统认知的DNA复制！充满了随机性

我是唯物主义者，深信事物的发展不以人的意志为转移。宇宙和生命的发展也不是你说怎样就是怎样的，都是有内在的法则。（规则，规律已经不能概括了，只有法则更贴切）

文献截图

1953年Watson和Crick发现了DNA双螺旋结构，并在此基础上提出了半保留复制，自此开启了分子生物学的辉煌时代。传统理论认为DNA复制时，亲代双链在解旋酶的作用下分离，在遵循碱基互补配对的原则下，复制叉处前导链与滞后链的DNA聚合酶彼此协调，复制出两个子代DNA分子。然而加州大学Graham JE等研究人员发现，真实的DNA复制过程中DNA聚合酶并不相互协调，而是两条链相互独立复制，整个过程充满随机性。目前相关结果已发表于最新一期《Cell》。

在该研究中，科研人员对大肠杆菌中提取出的DNA分子进行着色标记，随后通过实时单分子分析技术进行观察。令研究人员震惊的是，实时镜头下DNA复制过程中时而前导链停止延长，时而滞后链停止运行，又或其中一条链以10倍于正常速度开始复制，整个过程中复制与暂停的转换毫无规律可言！此外，解旋酶还可以自己调控解旋速度，以保证聚合酶能够赶上复制进度。

有时候，一条单链会不可预测地停止延伸，而另一条单链还在持续；DNA复制的过程也会突然改变速率。这段视频表明，DNA复制的双链之间并无协调性，每条单链的合成都是完全独立的。这项研究为DNA复制的机制提供了新的见解。

利用复杂的成像技术和荧光染料，研究人员观察到来自大肠杆菌的单个DNA分子的复制，并且实时测量了DNA聚合酶完成这一过程的速度。

DNA复制基础

DNA双螺旋是由方向相反的两条DNA单链组成的。每条单链都是由四种碱基（A、T、C和G）组成，并按照碱基互补配对原则形成DNA双链。

DNA开始复制时，解旋酶（helicase）首先将DNA双链解开为两条单链。而后，引发酶（primase）将引物附着到每条单链上，令DNA复制得以进行。随后，DNA聚合酶（polymerase）结合到引物上并沿着DNA单链移动，添加新的碱基以形成新的DNA双螺旋。

复制体（replisome）则是由解旋酶、引发酶和DNA聚合酶全酶组成的复合体。

由于DNA双螺旋中的两条单链方向相反，而DNA聚合酶只能定向的往前一个碱基的羟基后加上下一个碱基，因此DNA聚合酶在两条单链中的作用有别。在与复制叉（replication fork，即DNA双链解旋位置）移动方向一致的前导链（leading strand）中，DNA聚合酶能持续移动，在其身后形成一连串新的DNA双链。而在滞后链（lagging strand）中，由于复制方向相反，DNA聚合酶必须先结合到滞后链上并产生较短的双链DN**段（即冈崎片段，Okazaki fragment）相当于一段引物，而后脱落下来再重新开始这一系列步骤。这一过程即DNA回环复制模型。

当前，人们普遍认为前导链和滞后链上的DNA聚合酶在某种程度上会进行配合，以至于一条单链的复制不会领先于另一条单链。

实验方法：滚环单分子测定（Rolling-Circle Single-Molecule Assay）

研究人员采用具有一段短末端的环状DN**段进行实验，并将其附着到载玻片上。当复制体（replisome）绕着环状DN**段滚动时，片段末端会变得更长。他们可通过添加或移除ATP（ATP是DNA复制启动所必须的）来开启或关闭DNA复制，并采用一种可结合双链DNA的荧光染料（SYTOX Orange）来观察复制过程。最终，整套装置都是在流动室中进行的，因此DNA链的延伸像是在微风中飘扬的旗帜一样。

采用滚环单分子测定对前导链和滞后链的合成进行可视化。

研究亮点：停止、开始、变速

在复制体中，负责合成前导链和滞后链的DNA聚合酶独立发挥功能。

从动力学上来说，DNA复制是不连续的，期间会发生暂停和速率改变。

当DNA合成暂停时，出于自我调节的失败-安全机制，解旋酶的速率会下降。

滞后链DNA聚合酶再启动复制时的速率较持续合成能力减缓80%。

此前人们认为，在DNA复制时，复制体中负责前导链和滞后链复制的DNA聚合酶一定是相互协调的，以避免在新合成的链中出现明显的缺口。

该研究发现，复制体中的两个DNA聚合酶是独立发挥功能的。虽然DNA前导链和滞后链的平均复制速率相似，但两个DNA聚合酶各自的轨迹会呈现出随机地合成速率改变，期间还会发生明显的暂停。滞后链合成停止时，前导链的合成还会持续进行。这时发光的前导链上会出现黑暗区，因为研究使用的荧光染料不会附着到单链DNA上。

研究人员发现，解旋酶上存在着“自动制动器”，它能提前解开DNA双链。在DNA聚合酶暂停期间，解旋酶可能会继续解开双螺旋，这让DNA有一部分变成单链的状态，这种解链DNA很容易受到损伤。事实上，暴露出来的单链DNA会在细胞内发出一种警报信号来激活修复酶。

但基于自我调节机制，当解旋酶从复制体上脱落下来并开始远离复制体的剩余组分时，解旋酶速率会减缓80%。因此，解旋酶会缓慢地移动直到DNA聚合酶得以与其重新配合，随后解旋酶再次加速移动。

这些特征告诉我们，DNA复制是一个更为动态的不连续过程，复制体内各组分的联系会频繁地断开并重新形成。即使复制体内的各组分会出现随机行为，但仍能保证DNA复制的完整性，这一过程不需要前导链和滞后链的相互协调。

“这是一种真正的范式转移，颠覆了教科书中的许多内容。”

这一发现颠覆了关于DNA复制的传统认知，如此“任性”的工作方式不禁让人重新思考包括DNA复制在内的其他生物化学过程。总之生命实在太奇妙了，期待科研人员后续给我们带来更多的惊喜