人类首次视频捕捉到DNA复制过程 不少细节将改变已有认知

从细胞分裂到遗传信息传递，几乎地球上的所有生命体都离不开DNA复制这个过程。近日，科学家首次捕捉到DNA复制的连续影像资料，再次试图破解这个小小的双螺旋里的奥秘。

与之前的认知不同，这个过程远比我们认为的混乱，因此也再一次将细胞是如何预防突变这个问题推到我们面前。该研究发表在近期的《Cell》杂志上。

该研究是由来自加州大学戴维斯分校的分子遗传学教授Stephen Kowalczykowski的团队完成的，他们借助精密的成像技术和荧光染料，以大肠杆菌为实验材料进行观察。结果惊喜的发现，DNA的复制过程是充满了随机性的，某些部分与以往我们从教科书中学到的大相径庭。

Kowalczykowski团队的研究显示，前导链上的聚合酶可以很容易的匀速工作，相比之下，后随链上却没有这么简单。后随链上的聚合酶工作起来更像是走走停停的车水马龙，会毫无预示的停下又随机的开始，速度可能相差十倍之多。看起来所谓的协同作用也许只是这种走走停停忽急忽慢过程的一个平均结果。这种不稳定的聚合速度就意味着存在更高的突变可能。

“两条链之间是没有协同可言的，他们完全是彼此独立的，”Kowalczykowsk在研究中指出。“这不仅是对DNA复制方式认识的改变，同时也帮我们提出新的问题——这是思维模式的转变，同时也将颠覆很多课本中的知识。”

图丨1953年，詹姆斯·杜威·沃森（James Watson）和弗朗西斯·哈利·康普顿·克里克（Francis Harry Compton Crick）在《Nature》上发表了关于DNA双螺旋结构的论文

但如果前导链和后随链的合成速度并不一致，这就意味着，DNA双链在某些时间内门户大开，毫无防备，简直就是敞开大门欢迎随机突变的发生。问题是，生命体真的会任凭这种自杀式的复制过程发生么？

研究者同时发现，在复制过程中DNA分子同时使用了一种类似于交通上“失能开关”的装置，这是一种当意外情况发生，可以自动动作的开关。当双螺旋解旋过多，这个开关就会发挥作用让解旋减缓，让暂停工作的DNA聚合酶追上来。

这个机制对于减少突变至关重要，但也给我们提出新的问题：如果说双链是分别工作的，那么这个“失能开关”又是如何知道该减缓解旋呢？

提到DNA就不得不说说它的结构，它是由含有A、T、G、C四种碱基的脱氧核糖核苷酸按照一定的顺序排列配对并形成双螺旋的。由于脱氧核糖核苷酸的结合都是按照特定方向形成的，因此组成DNA分子的两条链分别具有方向性。

这就好比是一条高速公路，两条链上的脱氧核糖就如同背道而驰的车流，而中间作为纽带的碱基就像是隔离带一样，保证DNA信息长河的秩序和稳定。

DNA在复制之初，首先需要在解螺旋酶的作用下进行解旋。双链打开，其中一条叫做先导链，一条叫做后随链，打开后的两条链都各自成为模板，随即复制开始。随后，在DNA聚合酶的作用下两条新DNA双链形成，这个过程叫做半保留复制。

由于DNA是具有方向性的，DNA聚合酶在合成前导链时是持续合成的，而在后随链时却是不连续的。由于方向限制，后随链上，聚合酶结合、移动、脱落，形成一段段叫做冈崎片段的DNA短片段。

而解旋后的DNA分子就如同缺少隔离带的高速公路，时刻充满了危险，解旋越多，危险的可能性越大—DNA突变的可能就越大。DNA的突变会带来难以想象的后果，轻者免疫力下降、DNA受损，重者器官丧失功能甚至导致死亡。

一直以来，科学家们认为，自然界的DNA复制机制“应该是”规律的、有序的，进而来保证遗传及生命的安全。因而猜测DNA聚合酶在这两条单链上是匀速合成DNA且协同作用，通过某种不确定的机制确保二者的复制距离不至于太远以保证复制的准确性。

然而，Kowalczykowski团队的研究结果与人类之前的猜测大相径庭，结结实实的给了这种“应该是”的科学结论一记重拳。

无论如何，该项研究在揭秘DNA复制真相的同时，也在警醒人类在本该无序的现实中强加秩序的愿景会带来多么错误的结论。正如我们星球上的生命蓝图比我们想象的更无序，我们的DNA中仍旧有很多的神秘随时准备颠覆我们已有的认知，或者掀翻我们自认为赢定了的赌局。