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单分子DNA复制的视频成像

2018-12-26 10:59:58 • 来源：

几乎所有地球上的生命都是基于被复制或复制的DNA。现在科学家们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。加利福尼亚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，提出了新问题。” 这项工作于6月15日发表在Cell杂志上，与合着者James Graham，加州大学戴维斯分校的博士后研究员和Sloan Kettering癌症中心的Kenneth Marians合着。

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然后再次下降并重新开始。传统观点认为，领先和滞后链上的聚合酶以某种方式协调，以便一个人不会超越另一个。实验：滚动圈和荧光染料

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。

看似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，你就可以同时到达同一个地方。”

研究人员还在解旋酶上找到了一种“死人的手柄”或自动制动器，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。事实上，暴露的单链DNA在细胞内引发了一个激活修复酶的警报信号。

但事实证明，当它解耦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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