科研

Nature重要发现:时隔65年,DNA复制过程的突变机制终阐明

1953年,James Watson和Francis Crick

自James Watson和Francis Crick 1953年发现DNA双螺旋结构以来,已经过去了65年。此后的几十年间,科学家逐步证实,人类DNA的复制是受严格控制的:在复制过程中,DNA聚合酶将正确的碱基插入到新链的正确位置;碱基会按照特定规则进行配对,胞嘧啶(C)与鸟嘌呤(G)、腺嘌呤(A)与胸腺嘧啶(T)。这种复制机制看似完美,但实际上并非天衣无缝。一直以来,科学家想要弄清楚的一个问题就是:在这样精准的DNA复制机制下,DNA的突变是如何产生的?

事实上,早在65年前,在提出DNA双螺旋结构的同时,Watson和Crick还提出了另一个假设:在DNA复制过程中,DNA碱基互变异构体可能会引起自发突变。这是一种罕见的现象,如果错误没有得到纠正,它将作为新合成DNA中的突变持续下去。但几十年来,众多研究人员一直未能找到确凿的证据证明该假设。

2018年2月1日,由俄亥俄州立大学Zucai Suo博士和杜克大学Hashim M. Al-Hashimi博士领导的研究小组,在国际顶级期刊Nature发表了一项重要研究结果,时隔65年后,首次阐明了DNA复制过程的突变机制,并证明了 Watson和Crick的突变假设。此外,研究人员还令人惊讶地发现,这种突变的频率因DNA序列而异。在DNA的双螺旋结构中就像存在一个固定的时钟,可以记录自发突变发生的频率。某些DNA碱基会发生仅持续千分之一秒的短暂形态变化,这种瞬间变化可能导致DNA在复制过程中将错误的碱基掺入其双螺旋结构中,造成基因突变。这种自身突变虽然罕见,但可以作为驱动疾病基因变化的基础,包括癌症。

图:a. DNA碱基正常配对,b. 碱基互变异构体配对,这种碱基的短暂变化会形成DNA碱基互变异构体,从而改变A·T和G·C的配对方式。但互变异构体配对错误不会改变DNA的双螺旋结构

20世纪60年代中期,科学家就发现了与互变异构相关的错配结构,80年代中期,与带电荷DNA碱基有关的错配也被发现。但直到2011年,人们才在X射线晶体结构中观察到与稀有互变异构体有关的C·A错配,这种错配发生在锰离子存在的DNA复制中,是在DNA聚合酶活性结合位点的核苷酸碱基之间形成的错配。2012年的X射线结构观察结果也确定了一个离子化的G·T错配,同样是在DNA聚合酶结合的底物之间形成的。这两种情况均与Watson和Crick的描述相同。但这种互变异构体产生错配的频率仅为千分之一,在双链DNA中几乎不可能检测到。2015年, 在Watson和Crick提出突变机制的62年后,杜克大学的Isaac Kimsey等人使用核磁共振(NMR)光谱鉴定出G·T错配物。

在这项新研究中,Kimsey等人对先前的技术进行了升级,并检测了碱基互变异构体之间的关系以及DNA聚合酶所造成的错配。研究人员在发现G和T互变异构体的同时,还发现它们的形态转换发生的速率与聚合酶掺入G·T错配的速率大致相同。

他们和俄亥俄州立大学的研究人员一起,将核磁共振数据输入到一个“动力学模型”中,追踪由错配中的原子所造成的几乎不可见的错误运动。研究发现,虽然每个不同的替代形态都有助于产生错误,但在正常条件下,互变异构形式占主导地位。同时,根据上述研究中提到的阴离子等环境因素,研究人员研究了其对DNA复制错配突变的影响,发现阴离子形式错配在诱变剂和环境胁迫的存在下占主导地位。

研究中一个令人惊讶的发现是,基因形态改变的频率因DNA序列而异。在实验中,俄亥俄州生物化学家Zucai Suo和Walter Zahurancik统计了DNA聚合酶将错误碱基掺入DNA链的次数,发现错误频率并不统一,在某些序列中错配出现的频率较高。例如,与富含A、T的区域相比,含有更多G、C的区域可能形成更多的互变异构体,并且随后形成更多的突变。令人震惊的是,在DNA结构中就像有一个固定的时钟,可以记录自发突变发生的频率,增加或减少自发突变的频率可以显着改变生物体进化,或改变其对疾病易感性的能力。

杜克大学医学院生物化学教授Al-Hashimi表示,虽然有些人可能会质疑这些研究的重要性,但越来越多的研究表明,它们可能是生物学和疾病的主要驱动因素。根据这项研究,我们可以开始了解可能导致突变错误的具体条件。

俄亥俄州立大学化学与生物化学教授Zucai Suo博士也表示:过去,我们知道DNA聚合酶在DNA复制过程中会出错,但并不知道它们是如何发生的。现在,这项研究为复制错误的出现提供了一个证明,有力地回击了那些质疑沃森、克里克的声音。

南加州大学分子生物学和化学教授Myron Goodman博士也强调,这一研究结果为1953年Watson和Crick提出的突变机制的化学起源提供了确凿的证据,在科学研究中极有意义。

DNA复制过程中的错配不仅会造成复制错误,还可能影响后续分子过程如转录、翻译和DNA修复等,最终导致疾病发生。研究人员计划进一步研究这些碱基互变异构体是如何破坏DNA信息的。

近年来,随着科学技术的飞速发展,对基因突变的研究已经深入到分子、原子水平,一些此前意义未明或者无法得知的基因变化,也逐渐得到解释。此次突变机制研究的成功,使人们有希望对更多基因突变进行机理研究,为未来多种疾病如癌症、遗传病的分子机制研究提供理论基础,进而从根源解决疾病。

参考文献:

1.Smoking gun for a rare mutation mechanism

2.Scientists Identify Fleeting Quantum Jitters that Drive Mutation Rate in DNA

3.A mutational timer is built into the chemistry of DNA

(1)

本文由 测序中国 作者:戴胜 发表,转载请注明来源!

热评文章