改變教科書的新發(fā)現(xiàn)：尋求染色體不朽，但超越端粒酶

半個(gè)世紀(jì)前，科學(xué)家吉姆·沃森(Jim Watson)和阿列克謝·奧洛夫尼科夫(Alexey Olovnikov)各自意識(shí)到，我們的DNA復(fù)制存在一個(gè)問題。線性DNA復(fù)制的一個(gè)怪癖決定了保護(hù)染色體末端的端粒應(yīng)該在每一輪復(fù)制中變得更短，這種現(xiàn)象被稱為末端復(fù)制問題。一個(gè)解決方案出現(xiàn)了:Liz Blackburn和Carol Greider發(fā)現(xiàn)了端粒酶，一種將端粒重復(fù)序列添加到染色體末端的酶。

洛克菲勒基金會(huì)的Titia de Lange說:“大家都以為案子結(jié)了。”

現(xiàn)在，發(fā)表在《Nature》雜志上的一項(xiàng)新研究表明，末端復(fù)制存在兩個(gè)問題，而不是一個(gè)。此外，端粒酶只是溶液的一部分——細(xì)胞也使用CST–Polα引物酶復(fù)合物，該復(fù)合物已在de Lange的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了廣泛的研究。“幾十年來，我們認(rèn)為我們知道端粒酶是如何解決末端復(fù)制問題的，”de Lange說。“事實(shí)證明，我們忽略了問題的一半。”

從DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的描述開始，我們就知道DNA有兩條相反方向的互補(bǔ)鏈——一條從5 '到3 ';另一個(gè)從3 '到5 '。當(dāng)DNA被復(fù)制時(shí)，兩條鏈被復(fù)制機(jī)制(也稱為復(fù)制體)分開。復(fù)制體不間斷地復(fù)制3 '到5 '鏈，這一過程被稱為先導(dǎo)鏈合成。但另一條鏈?zhǔn)怯稍S多片段(岡崎片段)在短時(shí)間內(nèi)向后合成的，這些片段隨后被縫合在一起。

這個(gè)過程相當(dāng)直接，直到染色體的末端。當(dāng)端粒復(fù)制時(shí)，前導(dǎo)鏈DNA復(fù)制應(yīng)復(fù)制CCCTAA重復(fù)序列以生成TTAGGG重復(fù)鏈，而滯后鏈合成應(yīng)相反，生成新的CCCTAA重復(fù)序列。末端復(fù)制問題的出現(xiàn)是因?yàn)榍皩?dǎo)鏈合成不能復(fù)制端粒的最后一部分，留下一個(gè)鈍的前導(dǎo)端粒，沒有它的特征和關(guān)鍵的3 '懸垂。端粒酶通過在端粒末端添加單鏈TTAGGG重復(fù)序列來解決這個(gè)問題。至于滯后鏈，DNA合成應(yīng)該沒有問題。最后的岡崎片段可以從3 '懸挑的某個(gè)地方開始。

“DNA復(fù)制機(jī)制不能完全復(fù)制線性DNA的末端，就像你不能在腳下的地板上畫畫一樣，”de Lange實(shí)驗(yàn)室的資深科學(xué)家、該論文的主要作者Hiro Takai說。

滯后鏈問題

就生物過程的描述而言，這個(gè)模型看起來無懈可擊。直到Takai在研究缺乏稱為CST–Polα引物酶復(fù)合物的分子機(jī)制的細(xì)胞時(shí)，有了一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)。他和其他人之前已經(jīng)證明，CST–Polα引物酶可以在端粒中補(bǔ)充被dna降解酶(即核酸酶)攻擊的CCCTAA重復(fù)序列。這個(gè)新數(shù)據(jù)揭示了一些意想不到的事情:不僅前導(dǎo)鏈需要幫助，他還發(fā)現(xiàn)了證據(jù)，證明后導(dǎo)鏈的末端也不能被復(fù)制體合成。

Takai的研究表明，末端復(fù)制問題比之前認(rèn)為的嚴(yán)重兩倍，影響到DNA的兩條鏈。“結(jié)果與端粒復(fù)制的模型不相符，”de Lange說。“那時(shí)，我和Hiro意識(shí)到，要么是他的結(jié)果不對(duì)，要么是模型錯(cuò)了。在我看來，他的結(jié)果似乎非常可靠，所以我們需要重新審視這個(gè)模型。”

de Lange聯(lián)系了Joseph T. P. Yeeles，他是劍橋分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室(沃森和克里克研究DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室)研究DNA復(fù)制的生物化學(xué)家。Yeeles也認(rèn)為，仔細(xì)觀察線性DNA模板末端的復(fù)制體是如何表現(xiàn)的是件好事。復(fù)制體能否如所提議的那樣，利用一個(gè)3 '的懸垂來制造最后的岡崎片段?

Yeeles的體外復(fù)制實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常清楚。復(fù)制體在3′懸垂處不產(chǎn)生岡崎片段;它實(shí)際上在前導(dǎo)鏈到達(dá)5 '端之前就停止了滯后鏈的合成。第二個(gè)末端復(fù)制問題意味著DNA的兩條鏈都會(huì)隨著每次分裂而縮短。端粒酶只阻止這種情況發(fā)生在前導(dǎo)鏈上，而Hiro的數(shù)據(jù)表明CST–Polα引物酶修復(fù)了第二個(gè)末端復(fù)制問題，即后鏈的問題。

在接下來的四年里，Takai設(shè)計(jì)了新的實(shí)驗(yàn)來證實(shí)Yeeles在體內(nèi)的發(fā)現(xiàn)。他能夠測(cè)量出由于鏈末端復(fù)制滯后問題而丟失了多少DNA，揭示了CST–Polα引物酶需要添加多少CCCAAT重復(fù)序列來保持端粒完整。

影響及未來方向

研究結(jié)果改變了我們對(duì)端粒生物學(xué)的認(rèn)識(shí)，這需要對(duì)教科書進(jìn)行修訂。但這些發(fā)現(xiàn)也可能具有臨床意義。遺傳CST–Polα引物酶突變的個(gè)體患有端粒紊亂，如Coats綜合征，其特征是眼睛紊亂，大腦、骨骼和胃腸道異常。通過更好地了解我們?nèi)绾尉S持端粒，有一天我們可能會(huì)在解決這些毀滅性疾病方面取得進(jìn)展。

本網(wǎng)站所有轉(zhuǎn)載文章系出于傳遞更多信息之目的，轉(zhuǎn)載內(nèi)容不代表本站立場(chǎng)。不希望被轉(zhuǎn)載的媒體或個(gè)人可與我們聯(lián)系，我們將立即進(jìn)行刪除處理。