颠覆性发现:DNA复制教学视频都是错的!

【字体: www.ebiotrade.com 时间:2017年6月19日 来源:生物通

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  脱氧核糖核酸(DNA)复制几乎是地球所有生命的基础。如今,科学家们第一次在单个DNA分子尺度观察到了它们的复制。有些令人吃惊的是,DNA复制意想不到地富有随机性。研究人员利用先进成像技术以及极大耐心,观察了大肠杆菌DNA复制,并测量了每股链上酶机器(复制复合体)的运行速度。此外,研究人员还发现单股链上DNA复制复合体内部各组件移动速度也并不相同!

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生物通报道:脱氧核糖核酸(DNA)复制几乎是地球所有生命的基础。如今,科学家们第一次在单个DNA分子尺度观察到了它们的复制。有些令人吃惊的是,DNA复制意想不到地富有随机性。研究人员利用先进成像技术以及极大耐心,观察了大肠杆菌DNA复制,并测量了每股链上酶机器(复制复合体)的运行速度。此外,研究人员还发现单股链上DNA复制复合体内部各组件移动速度也并不相同!


DNA复制基本知识
DNA双螺旋由两条相反方向链组成,每股链的基本组成单位为四种脱氧核苷酸,即A、T、C、G。DNA碱基对是两条链上互相匹配的碱基,即A-T,G-C。DNA复制主要包括引发、延伸、终止三个阶段。第一阶段,解螺旋酶将缠绕在一起的双链DNA解成两股单链。让引发酶与单链DNA的“引物序列”结合,启动复制。紧接着,DNA聚合酶附着于引物序列,并向前移动为新链增加碱基。

由于两股双螺旋方向相反,聚合酶在两股链上背道而驰。其中一股被称为先导链,聚合酶连续移动,新链尾随其后。另一股被称为后随链,以相反方向(相对于先导链聚合酶移动方向)结合、移动和脱落,重复循环工作,合成一系列DNA短片段(冈崎片段)。两条链上聚合酶协调工作,复制速度基本保持一致。

常见的教学模式,两股链上的聚合酶和解旋酶等作为一个整体,匀速工作

观察实验
为了研究聚合酶工作情况,研究人员使用环状DNA,通过一条“尾巴”与载玻片连接。当复制机器绕着DNA圈旋转时,尾巴就会变长。研究人员用作为燃料的三磷酸腺苷(ATP)控制DNA复制开和关。用与DNA双链结合的荧光染料点亮不断生长着的DNA螺旋。整个装置位于流式小室,DNA链伸展着看起来像漂浮在微风中的横幅。

暂停、启动、变速
观察单个DNA链,研究人员意外地发现,复制的停止并不可预知,并且当它再次启动时竟会改变速度。“前后速度相差10倍,”加州大学戴维斯分校分子遗传学和微生物学教授Stephen Kowalczykowski说。有时,后随链合成停止了,但先导链仍然继续生长。具体现象是在发光链中,这段区域显示黑暗,因为荧光染料不能与DNA单链结合。

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“我们发现两股链并非步调一致,相反,它们完全独立工作,”Kowalczykowski说。看似协调步调,实际上是一系列启动、停止、变速的随机过程。延长时间后发现,任意条链都在匀速前进,研究人员同时观察了很多条DNA,发现它们的平均速度相同。

Kowalczykowski将其比作高速公路。“某个点上,车速有快有慢,但当行驶路程足够远时,两台车最后同时到达终点。”

研究人员还发现解旋酶上的“自动刹车”。当聚合酶休息时,解旋酶保持移动,尽可能地使松散DNA展开一个缺口,使其免受伤害。事实上,暴露的单链DNA会发出警报信号,激活修复酶。

当解旋酶与复制复合体失去耦合并开始远离时,它的移动速度减慢了5倍。让从休息中恢复过来的聚合酶慢慢追赶,然后再次加速。

如此随机的工作方式,不禁让人重新思考DNA复制和其他生物化学过程。“这是一个真正的范式转变,这项发现破坏了教科书中大量内容。”

原文标题:Independent and Stochastic Action of DNA Polymerases in the Replisome

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