Nature重要成果：随机突变是这样来的

最近Nature杂志上发表的研究指出，量子悸动的出现频率与DNA复制错误的频率差不多，它们可能就是随机突变的基础。

　　

生物通报道：DNA复制机器能够以极快的速度和惊人的准确性将正确的碱基（G-C 、A-T）配对形成DNA双螺旋。它们能够识别正确的碱基搭配，丢弃错误的组合。不过，这些机器每复制10,000 -100,000 bp就会犯个错误，这个错误如果不校正就会成为基因组突变。

研究者们几十年来一直想知道，这些貌似随机的错误是如何产生的。一些人认为，DNA碱基会在一瞬间改变形态，让复制机器把错误的碱基对掺入DNA。但此前还没人捕捉到这种微小的形态转变。

日前，Duke大学的研究人员观察到了这种极微小的碱基改变。在短短一瞬间，发生改变的碱基看起来像是另一个碱基。这种“量子悸动”（quantum jitter）现象极为罕见，存在的时间也极短，但却会产生深远的影响。

这项发表在Nature杂志上的研究指出，量子悸动的出现频率与DNA复制错误的频率差不多，它们可能就是随机突变的基础。

“DNA结构本身就允许错误发生，”Duke大学的Hashim M. Al-Hashimi教授说。“这些错误非常关键，没有它们生命就无法进化。但如果这样的错误太多，基因突变就会脱离控制，使我们无法生存。量子悸动将自发性突变的频率调节得恰到好处。”

沃森和克里克1953年发现DNA双螺旋之后，就曾预测碱基会改变形态并导致错配。近十年来人们获得了DNA中发生错配的图像，但还不清楚错配发生的具体机制以及决定错配出现频率的因素。（延伸阅读：Cell惊人发现：DNA复制方案因人而异）

研究人员使用一种NMR技术（NMR relaxation dispersion）来成像这些极为微小而且稍纵即逝的改变。Al-Hashimi实验室的研究生Isaac J. Kimsey设计了含有一个G-T错配的双链DNA，随后通过NMR技术检测G和T上的原子。

G和T一般是不能配对的，因为它们表面伸出的氢原子彼此冲突。沃森和克里克之前的理论是，氢原子可能被推开而形成错配。Kimsey通过NMR技术首次在DNA双链中获得了这种原子重排的直接证据。研究显示，RNA中也存在类似的现象。

这种微小的运动（量子悸动）耗费大量的能量，碱基要尝试差不多一万次才能成功一次。成功之后的新形态也只能维持很短的时间（50-200微秒），随后氢原子又会回到原来的位置。研究人员发现，这种罕见状态的出现频率与聚合酶的错误频率差不多。

随机突变是生命进化的基础也和癌症发展有关，这项研究阐明了随机突变的基础，“我们可以利用这一点设计药物，诱使癌细胞或病毒更快出现复制错误，使其突变脱离控制并最终死亡，”Kimsey说。

 

生物通编辑：叶予

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