单分子DNA复制的视频成像

几乎所有地球上的生命都是基于被复制或复制的DNA。现在科学家第一次能够观察到单个DNA分子的复制，并有一些令人惊讶的发现。首先，工作中的随机性比想象的要多得多。

加州大学戴维斯分校的微生物学和分子遗传学着名教授Stephen Kowalczykowski说：“这是一种不同的复制方式，提出了新的问题。”这项工作于6月15日发表在“细胞”杂志上，与合着者詹姆斯·格雷厄姆，加州大学戴维斯分校的博士后研究员和斯隆凯特琳癌症中心的肯尼斯·玛丽安一同出版。

利用先进的成像技术和极大的耐心，研究人员能够在复制时观察大肠杆菌中的DNA，并测量酶机械在不同链上的作用速度。

DNA复制基础知识

DNA双螺旋由两条沿相反方向延伸的链制成。每条链由一系列碱基A，T，C和G组成，它们在链之间配对：A至T和C至G.

复制的第一步是称为解旋酶的酶，它将双螺旋展开并“解压缩”成两条单链。一种名为primase的酶在每条链上附加一个“引物”，允许复制开始，然后另一种称为DNA聚合酶的酶附着在引物上并沿着链移动，添加新的“字母”以形成新的双螺旋。

因为双螺旋中的两条链以相反的方向运行，所以聚合酶在两条链上的工作方式不同。在一条链 - “前导链” - 聚合酶可以连续移动，留下一条新的双链DNA。

但另一方面，“滞后链”，聚合酶必须在开始时移动，附着，产生一小段双链DNA，然后再次开始下降。传统观点认为，领先和滞后链上的聚合酶在某种程度上是协调的，因此人们不会领先于另一个。

为了进行他们的实验，研究人员使用了一个圆形的DNA片段，用一条短尾巴附着在载玻片上。当复制机器绕圆圈滚动时，尾部变长。他们可以通过添加或去除化学燃料(三磷酸腺苷，ATP)来打开或关闭复制，并使用附着在双链DNA上的荧光染料点亮生长的链。最后，整个设置在流动室中，因此DNA链在微风中像横幅一样伸展。

停止，开始和变速

一旦Graham，Kowalczykowski和Marians开始观察单个DNA链，他们就会发现意想不到的事情。复制以不可预测的方式停止，当它再次启动时可以改变速度。

“速度可以变化大约十倍，”Kowalczykowski说。

有时滞后链合成停止，但前导链继续生长。这显示为发光链中的暗区，因为染料不会粘附到单链DNA上。

“我们已经证明了这些股之间没有协调。他们是完全自主的，”Kowalczykowski说。

看起来协调的实际上是随机启动，停止和变速的过程的结果。随着时间的推移，任何一条链都会以平均速度移动;同时看一些股线，它们将具有相同的平均速度。

Kowalczykowski把它比作高速公路上的交通。

“有时一条路上的车流量越来越快，经过你，然后你就过去了。但如果你旅行得足够远，你可以同时到达同一个地方。”

研究人员还发现了一种“死人的手柄”或解旋酶上的自动制动器，它可以在其他酶之前解开DNA。当聚合酶停止时，解旋酶可以继续移动，可能会打开可能易受损伤的未缠绕DNA缺口。实际上，暴露的单链DNA在细胞内引发了一种激活修复酶的警报信号。

但事实证明，当它脱离并开始远离复制复合物的其余部分时，解旋酶减慢了大约五倍。因此，它可以随意，直到其余的酶赶上，然后再次加速。

Kowalczykowski说，这种新的随机方法是一种思考DNA复制和其他生化过程的新方法。“这是一个真正的范式转变，并破坏了教科书中的大量内容，”他说。

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