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DNA复制新发现:“字母”配对可能是随机的
日期:2017-09-02 作者:张田勘 来源:文汇报
■张田勘

  1953年,詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克发现DNA双螺旋结构,开启了分子生物学时代,“生命之谜”被打开,人们可以清楚地了解遗传信息的构成和传递途径。生物的所有遗传信息都储存在DNA中,并且通过RNA的转录,把遗传信息丝毫不差地传递到下一代。

  然而现在,DNA复制遭遇了挑战。过去一直认为,DNA打开后的两条单链 (前导链和后随链) 匀速合成DNA,并且通过某种机制让两者的复制速度不至相差太远,从而保证复制的准确性。但是现在,美国加州大学戴维斯分校分子遗传学教授史蒂芬·科瓦尔兹科斯基的研究团队却发现,DNA的复制过程并非完全有规律,而是充满着随机性。

  沃森和克里克两人的研究以及后来的多项研究都证明,DNA的复制是半保留式复制,即DNA在复制过程中,碱基间的氢键首先断裂,双螺旋解旋分开,每条链分别作为模板合成新链,每个子代DNA的一条链来自亲代,另一条则是新合成的。

  半保留式复制的最大特点是,DNA的复制是有规律和固定模式的,例如,DNA中的四种碱基A (腺嘌呤)、T (胸腺嘧啶)、C (胞嘧啶) 和G (鸟嘌呤)总是有规律配对,即按碱基互补配对原则形成碱基对,其中A与T、C与G之间通过氢键相连配对,而且A与T之间是双键、C与G之间是三键。

  科瓦尔兹科斯基等人新的研究发现,当DNA解旋形成单链时,就好像形成两条只有一根铁轨的待铺设轨道,前导链的单轨方向是由西向东,则依据前导链为模板合成的另一条铁轨也是由西向东,并且按部就班进行铺设;以后随链为模板的复制则相反,由东向西铺设轨道,但都是按照A-T、C-G来识别和匹配枕木。而且,后随链只能一段一段地铺设,每铺好一段,则进行固定,并形成螺旋结构。

  研究人员借助精密的成像技术和荧光染料,对大肠杆菌的DNA复制进行观察,发现DNA双链打开后,在前导链上,DNA的复制基本上是有规律地匀速进行,但后随链上的DNA合成就像是漫无目标又没有动力的老爷车,会毫无预兆地熄火停车,然后又随机启动和前行,与前导链的合成速度最大可相差10倍。

  后随链上这种不稳定的合成速度,意味着存在更高的突变因子。因为打开后的单链好比不设防的阵地,如果不快速配对合成并固定成双链DNA,敞开的A、T、G、C四个碱基随时都有可能受到破坏,或与随意出现的碱基配对,从而造成DNA复制的错误,包括缺失、错位、跳跃和重复等。

  不过,科瓦尔兹科斯基等人也发现,复制过程也有一种类似于交通上的“失能开关”装置来减少复制错误。当一种意外情况发生时,可以自动启动开关,防止发生严重后果。例如,当DNA双螺旋解旋过多,这个开关就会开启,让解旋减慢,使得慢吞吞的DNA复制加速追赶上来,以免碱基裸露在外而受到破坏。



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