科學家拍下 DNA 複製影片,意外發現 DNA 複製和他們想的不一樣

作者 | 發布日期 2017 年 09 月 08 日 11:36 | 分類 生物科技 follow us in feedly

地球上大多生物都以 DNA 為遺傳因子進行複製,DNA 的複製錯誤可能導致基因變異、癌症、先天缺陷或其他負面影響,因此,了解 DNA 複製的過程對醫學及生物學都有重要意義。近期研究中科學家終於能觀看 DNA 複製過程的每個步驟,並在其中獲得一些有趣的發現,其實複製作用的調控比我們想像中還更沒規律。



這項研究由加州大學戴維斯分校博士後研究員 James Graham 及紀念史隆凱特琳癌症研究中心(Memorial Sloan Kettering Cancer Center)Kenneth Marians 為共同作者,已於 6 月 15 日發表於科學期刊《Cell》。研究團隊以精密複雜的成像技術,耗費許多時間才得以看到大腸桿菌的 DNA 複製過程,計算其中酵素運作機制並測量酵素在不同股 DNA 作用所需的時間。研究主持人、加州大學戴維斯分校綜合癌症中心特聘微生物及分子遺傳學教授 Stephen Kowalczykowski 表示,這項研究讓他們以另一種角度思考 DNA 複製過程,也提出許多新的問題等待鑽研。

DNA 雙股螺旋結構是由兩股方向相反的去氧核醣核酸長鏈構成,兩股分別帶有以 ATCG 代表的鹼基序列,A 能和 T 形成鍵結,而 C 和 G 形成鍵結,兩股 DNA 序列就能以這種「互補」方式互相結合。

DNA 複製過程的第一個步驟所需酵素稱為解旋酶(helicase),它能將螺旋結構展開並將兩股 DNA 拉開成兩個單股序列。接著,另一個酵素引子酶(primase)會作為引子分別和單股 DNA 結合,讓 DNA 聚合酶(DNA polymerase)得以附著在引子酶上開始複製。複製之後,DNA 聚合酶會沿著單股 DNA 模板將互補序列一個一個加上,慢慢形成新的雙股 DNA。

由於原本雙股 DNA 分開後,兩股方向是相反的,而 DNA 聚合酶有固定的複製方向,使兩股的 DNA 複製方式會不太一樣,因此兩股分別稱為「領先股」(leading strand)和「延滯股」(lagging strand)。分開的兩股 DNA 中,領先股在複製時原始雙股 DNA 分開的方向與聚合酶合成新序列的方向相同,因此 DNA 聚合酶能連續不斷加上序列,做出新一股。延滯股則因兩股分開時露出新序列方向與 DNA 聚合酶行進方向相反,因此 DNA 聚合酶會先從露出的部分反向做出一部分互補序列,再往回跑到新露出的序列繼續合成互補序列,直到碰到上一步已合成的部分,再由另一個酵素將新序列前後連起來,不斷重複這樣的過程直到複製完整條 DNA。奇妙的是這兩股雖然複製方式不同,速度應該也會不一樣,但實際兩股複製的速度在細胞內非常協調,領先股複製速度並不會比延滯股快,因為一旦兩股複製速度不同,單股的 DNA 很容易因為立體構造拉扯造成拉伸(stretches),並產生可能造成生物體危害的突變。

研究過程中,研究團隊將環狀 DNA 其中一股拉長固定在載玻片上,讓 DNA 看起來像一 Q 字,尾端黏附在玻璃;當複製作用開始沿著環狀 DNA 進行,新合成的 DNA 序列會讓 Q 字的 DNA 尾巴越來越長。這種方法是為了讓實驗不受原始 DNA 長度限制,讓研究團隊可持續觀察不斷進行的 DNA 複製作用。研究團隊在當中加入合成 DNA 所需的原料核苷三磷酸(nucleoside triphosphates,NTPs),並用帶有可偵測結合雙股 DNA 螢光的染劑(SYTOX Orange)標定雙股 DNA,讓正在合成的 DNA 因產生雙股而能發出螢光來觀察。

當研究團隊開始觀察個別 DNA 的複製情形,他們發現意料之外的現象。複製作用開始後會不時停頓,重新啟動複製後速度會改變。對此 Kowalczykowski 表示,複製的速度最多可差到 10 倍左右。

研究團隊發現,有時候延滯股暫停複製,但領先股仍會繼續複製,因此原本整條發出螢光的 DNA 就會因為螢光染劑無法附著於單股 DNA 而出現黑色部分。Kowalczykowski 表示,他們發現兩股間的複製並沒有互相協調,而是各自獨立運作。先前之所以會認為兩股 DNA 複製互相協調速度相等,是由不規律的複製暫停及重啟、變換不同複製速度隨機造成的。這些各自獨立且隨機的複製作用綜合起來,使得每個 DNA 聚合酶複製的速率都差不多。把一些 DNA 聚合酶隨著時間合成 DNA 的情形放在一起看,當然會得到相同的複製速率。

Kowalczykowski 將這情形形容成高速公路的交通狀況,有時候會看到隔壁車道好像行進速度較快超越了你,但很快又換到自己的車道行進較快再反超回去。整體來看的話,你們到達同樣地點所花的時間是一樣的。

除此之外,研究團隊發現解旋酶中有類似機械操作的失能開關(dead man’s switch)機制。當解旋酶不斷向前解開 DNA 雙股結構,但後方聚合酶已停止運作時,解旋酶打開的部分單股 DNA 會特別脆弱,但也無法馬上複製回復成雙股結構,此時暴露在外的單股 DNA 就會發出訊號,活化修復所需酵素。與此同時,脫離其他複製單元獨自往前的解旋酶也會將前進速率降低約 5 倍,緩慢前進直到後面其他酵素重新跟上,再回復原先的速率。

Kowalczykowski 表示,這些發現會改變我們對 DNA 複製及其他生化反應的看法,原先對這些生物體內機制的既有觀念可能要大幅修正。

(首圖來源:Flickr/Karl-Ludwig Poggemann CC BY 2.0)