幾乎地球上的所有生物都依賴于 DNA 復制。如今，來自美國加州大學戴維斯分校和斯隆·凱特林癌癥紀念中心的研究人員首次能夠觀察單個 DNA 分子的復制，并且取得一些令人吃驚的發現。研究人員發現，這種復制存在的隨機性要比人們想象中的大很多。相關研究結果發表在 2017 年 6 月 15 日的 Cell 期刊上，論文標題為“Independent and Stochastic Action of DNA Polymerases in the Replisome”。論文通信作者為加州大學戴維斯分校微生物學與分子遺傳學教授 Stephen Kowalczykowski 和斯隆凱特林癌癥紀念中心研究員 Kenneth Marians。論文第一作者為加州大學戴維斯分校博士后研究員 James Graham。

DNA 雙鏈復制存在極大的隨機性

通過使用復雜的成像技術和付出很大的耐心，這些研究人員能夠在來自大腸桿菌的 DNA 復制時觀察它，并且測量復制體（replisome）如何在不同的 DNA 單鏈上發揮作用。DNA 復制基礎知識 DNA 雙螺旋是由兩條方向相反的 DNA 單鏈組成的。每條單鏈是由一系列堿基（A、T、C 和 G）組成的。兩條單鏈按照堿基配對（A→T，C→G）的原則形成 DNA 雙鏈。

DNA 復制的第一步是解旋酶將 DNA 雙鏈解開為兩條單鏈。一種被稱作引發酶的酶將引物附著到每條單鏈上，從而允許 DNA 復制開始，隨后另一種被稱作 DNA 復合酶的酶結合到引物上，沿著 DNA 單鏈移動，添加新的堿基，從而形成新的 DNA 雙螺旋。

復制體是一種多蛋白復合體，包括 DNA 聚合酶、引物酶、解旋酶、單鏈結合蛋白和其他輔助因子。復制體位于每個復制叉處，進行 DNA 鏈的聚合反應。

鑒于 DNA 雙螺旋中的這兩條單鏈具有相反的走向，DNA 聚合酶在這兩條單鏈中發揮的作用存在差異。在一條被稱作前導鏈（leading strand）的單鏈上，DNA 聚合酶能夠持續地移動，從而為在它的后面形成新的雙鏈 DNA 開路。

針對另一條被稱作滯后鏈（lagging strand）的單鏈而言，DNA 聚合酶必須先開始移動，結合到這條滯后鏈上，產生短的雙鏈 DNA 片段，接著從這條滯后鏈上脫落下來，隨后重新開始這一系列步驟。普遍的看法是在前導鏈和滯后鏈上的 DNA 聚合酶在某種程度上進行配合以至于一條單鏈的復制不會領先于另一條單鏈。實驗：滾環復制和熒光染料為了開展實驗，這些研究人員使用了環狀 DNA 片段，并且該片段利用一段短的尾巴附著到載玻片上。當這種復制體繞著這種環狀 DNA 片段滾動時，這段尾巴變得更長。他們能夠通過添加或移除 ATP（一種化學燃料分子）和一種熒光染料（在復制時，能夠結合到雙鏈 DNA 上，發出熒光）開啟或關閉 DNA 復制。最后，這一切都是一種流動腔中發生的，因此這些 DNA 鏈像在微風中的旗幟那樣向外延伸。停止、開始和可變的復制速度一旦 Graham、Kowalczykowski 和 Marians 開始觀察單個 DNA 鏈，他們就取得意料之外的發現。復制不可預見地停止，而且當再次開始復制時，復制速度能夠發生變化。這種復制速度能夠改變大約 10 倍。

滯后鏈合成有時會停止，但是前導鏈合成持續進行。這會在發光的前導鏈上出現黑暗區，這是因為這種染料不會附著到單鏈 DNA 上。

Kowalczykowski 說，“我們證實這兩條單鏈之間不存在協調。它們是完全自主的。”

看起來像是存在協調的樣子實際上是復制起始、停止和速度變化隨機發生的結果。在一段時間之后，任何一條單鏈按照平均速度進行復制；同時觀察多條單鏈，它們將具有相同的平均復制速度。

這些研究人員也發現解旋酶上存在“安全手柄”或者說自動制動器，這種酶在其余的酶之前讓 DNA 解開雙鏈。當 DNA 聚合酶停下來時，解旋酶能夠持續移動，潛在地打開一個解鏈的 DNA 缺口而可能容易遭受損傷。事實上，暴露出來的單鏈 DNA 在細胞內發出一種警報信號來激活修復酶。

但是，結果是當解旋酶從復制體上脫落下來，開始遠離復制體的剩余部分時，它的移動速度減慢大約 5 倍。因此，它慢慢地移動直到復制體的剩余部分追趕上來，隨后它再次加速移動。

Kowalczykowski 說，這種新的隨機方法是一種思考 DNA 復制和其他的生化過程的新方法。他說，“這是一種真正的觀念變化，顛覆了教科書中的很多東西。”