Nature揭示不同尋常的DNA復制機制

　　研究人員發現了細胞如何修復一種潛在的破壞性DNA損傷——雙鏈DNA斷裂的細節。

　　當由于氧化、電離輻射、復制錯誤和某些代謝產物使得染色體經受雙鏈斷裂時，細胞會利用遺傳相似的染色體通過一種涉及斷裂分子兩端的機制來修補這一缺口。為了修復失去一端的斷裂染色體，細胞會利用DNA復制機器的一種獨特構型作為一種搏命策略讓細胞得以生存。這一研究工作發表在《自然》(Nature)雜志上。

　　印第安納大學與普渡大學印第安納波里斯聯合分校(IUPUI)生物學副教授Anna Malkova說：“以往我們證實了，由斷裂誘導復制引入的突變率相比于正常的DNA生成方式引入的突變率要高1000倍，但我們并不了解其原因。”

　　喬治亞理工大學生物學副教授Kirill Lobachev實驗室利用先進的分析技術，以及只在全世界少數幾個實驗室可得到的設備，在不同的時間觀察并停滯了酵母細胞中斷裂誘導的DNA修復過程。他們發現這種DNA修復模式不依賴于傳統的復制叉，而是利用一種氣泡樣的結構來合成缺失DNA長鏈。這種氣泡結構以一種以往在真核細胞中未見到過的方式復制了DNA。

　　傳統的DNA合成是在細胞周期的S期完成，在發現DNA結構不久后，Matthew Meselson和Franklin Stahl便于1958年證實了半保留DNA合成方式。他們發現兩條新的DNA 雙螺旋分子都分別是由一條DNA單鏈生成，而每個新的DNA雙螺旋分子都包含一條DNA原始鏈和一條新鏈。

　　“我們證實斷裂誘導的復制不同于S期DNA復制，它是借助一種移動的氣泡而非正常的復制叉來完成這一過程的，其導致的保守DNA合成促使突變大大增多，”Malkova說。

　　這種搏命復制觸發了“突發遺傳不穩定性”，有可能是腫瘤形成的一個作用因子。

　　Lobachev 說：“從細胞的角度來看，所有想法都是為了生存，這是它們在遭遇潛在致命事件時生存下來的一種方式，但這是有代價的。有可能，這是一個改寫教科書的研究發現。”

　　在斷裂誘導復制過程中，DNA的一個斷裂端會與它的伙伴染色體(partner chromosome)上的相同DNA序列配對。復制以一種不同尋常的氣泡樣模式進行，通過染色體兩端的端粒由供體DNA復制出數以百萬計的DNA堿基。

　　Saini 說：“讓人感到驚訝的是，這是一種非常強大的DNA合成方式。這種合成可以發生于整條染色體臂，而不只是一些合成短片段。”

　　這種氣泡樣的DNA復制模式可以在不分裂細胞中運作，因此這種復制有可能是癌癥形成的一條潛在途徑。

　　“重要的是，斷裂誘導的復制泡有一段長的單鏈DNA尾巴，其促進了突變，”論文的第一作者、印第安納大學與普渡大學印第安納波里斯聯合分校研究生Sreejith Ramakrishnan說。

　　由于這一單鏈尾巴可通過逃避其他修復機制快速檢測及糾正DNA合成中錯誤，由此累積突變，其有可能導致了高突變率。

　　“當提及癌癥、其他疾病甚至進化時，似乎都發生了突發不穩定，但過去并不清楚促進這種突發的機制，”Malkova說。

　　新研究揭示的這一斷裂誘導復制分子機制，為突變產生提供了一種新解釋。