DNA聚合酶以短时间爆发的方式发挥作用而不是长时间持续作用

乙生物学讲座告诉学生，当细胞的复制机制组合在一起时，DNA聚合酶就会像高速公路上的汽车一样沿着双螺旋结构不断复制。如果出现错误，同一种酶就会停止、逆转并纠正错误，然后返回到线路末端，永无休止地旅行。

然而，过去10到15年发表的研究越来越多地挑战了这一模型，表明DNA复制和校对涉及多种聚合酶。1,2现在，在《自然通讯》杂志上发表的一篇论文中，阿姆斯特丹自由大学的团队提供了额外的证据，表明DNA聚合酶并不像曾经认为的那样连续地复制DNA。3

悉尼大学分子生物物理学家AntoinevanOijen表示：“与那些稳定地结合在DNA上的蛋白质不同，它们总是来来去去。这几乎就像你在开车时换轮胎一样。”揭示DNA聚合酶的活性可以帮助科学家更好地了解DNA复制和修复，并探索这些过程如何失败并导致癌症等疾病。

“这一发现纯属偶然，”阿姆斯特丹自由大学GijsWuite实验室的生物物理学家兼博士后研究员LongfuXu说道。该团队最初着手研究另一种复制机制蛋白——单链DNA结合蛋白及其与DNA聚合酶的相互作用。然而，他们首先需要确定这两种蛋白质如何独立地与DNA相互作用。在探索DNA聚合酶活性时，该团队观察到了一些意想不到的事情：这些蛋白质在核酸上快速跳上跳下。

为了确定DNA聚合酶的位置和作用，徐和他的同事结合了两种方法：共聚焦显微镜和光镊。研究小组在两个激光锁定的珠子之间拉伸了一条8,000千碱基的DNA链。被束缚的DNA链由双链(dsDNA)片段组成，该片段变成了单链(ssDNA)。他们使用激光施加不同大小的力来模拟DNA在复制或校对过程中通常经历的张力，以实验性地促进这些酶的功能。然后，通过在DNA聚合酶上添加荧光标签，他们跟踪了酶的进展以及与DNA的结合动态。

“我们可以对DNA施加张力，也可以可视化DNA上的聚合酶运动，但这两个数据集是独立的。我们想将它们关联起来，”徐说。不过，他解释说，同步这两个数据集并绘制蛋白质沿链的路径具有挑战性。然而，通过跟踪双链DNA-单链DNA连接处的荧光蛋白结合，该团队可以将这两条信息叠加起来，以揭示DNA聚合酶的行为。

研究人员观察到，平均而言，单个DNA聚合酶分子与连接处的核酸结合的时间略长于一秒钟，远低于大多数教科书所描述的连续结合。与教条相反的是，在此期间，单个酶只执行延伸或校对，偶尔也会在DNA上暂停;酶不会后退以修复错误，而是从核酸上分离出来，让另一个酶结合。

“将马达反向放置的想法听起来很有吸引力，但将马达扔掉效率更高，”Wuite解释道。与汽车不同，细胞有多个DNA聚合酶马达，因此已经处于结合DNA和纠正错误所需配置的酶可以接管。这种交换比相同蛋白质改变构象以执行不同功能所需的能量更少。

然而，DNA聚合酶的活性似乎是无缝且均匀的，因此研究小组认为存在一个过程来帮助一种酶从另一种酶停止的地方继续下去，就像记忆一样。他们分析了一个延伸事件，观察到聚合酶多次解离和反弹，但每次它们都会恢复相同的功能。

为了进一步研究这一点，研究小组在几次实验中评估了荧光聚合酶结合DNA之前、期间和之后的活性状态(酶促或暂停)。他们发现最常见的模式是，无论酶促期是在核酸外切酶修复期间还是DNA延伸期间，在所有三个观察点的活性都是相同的。

“这项实验实际上是对这种模型的致命一击，因为这种模型认为所有东西都稳定地存在于DNA中，”范·奥伊恩说。他补充说，结构研究对于为这些机制提供更多背景信息非常重要。

“当然，真正的梦想是同时看到所有这些不同的成分在单链和双链DNA连接处发挥作用，”Wuite说。徐和他的同事已经开始进行这些实验。

研究人员还将这种双重方法应用于其他问题，例如研究染色体分离。“你在生物学书籍中读到的关于染色体组织的描述大部分都是幻想，”Wuite说。“利用我们的工具，我们实际上可以向前迈出一些步伐，然后通过了解它们真正的组织方式，我们就能了解一些基本的事情是正确还是错误。”