几乎地球上的所有生物都依赖于 DNA 复制。如今，来自美国加州大学戴维斯分校和斯隆·凯特林癌症纪念中心的研究人员首次能够观察单个 DNA 分子的复制，并且取得一些令人吃惊的发现。研究人员发现，这种复制存在的随机性要比人们想象中的大很多。相关研究结果发表在 2017 年 6 月 15 日的 Cell 期刊上，论文标题为“Independent and Stochastic Action of DNA Polymerases in the Replisome”。论文通信作者为加州大学戴维斯分校微生物学与分子遗传学教授 Stephen Kowalczykowski 和斯隆凯特林癌症纪念中心研究员 Kenneth Marians。论文第一作者为加州大学戴维斯分校博士后研究员 James Graham。

DNA 双链复制存在极大的随机性

通过使用复杂的成像技术和付出很大的耐心，这些研究人员能够在来自大肠杆菌的 DNA 复制时观察它，并且测量复制体（replisome）如何在不同的 DNA 单链上发挥作用。DNA 复制基础知识 DNA 双螺旋是由两条方向相反的 DNA 单链组成的。每条单链是由一系列碱基（A、T、C 和 G）组成的。两条单链按照碱基配对（A→T，C→G）的原则形成 DNA 双链。

DNA 复制的第一步是解旋酶将 DNA 双链解开为两条单链。一种被称作引发酶的酶将引物附着到每条单链上，从而允许 DNA 复制开始，随后另一种被称作 DNA 复合酶的酶结合到引物上，沿着 DNA 单链移动，添加新的碱基，从而形成新的 DNA 双螺旋。

复制体是一种多蛋白复合体，包括 DNA 聚合酶、引物酶、解旋酶、单链结合蛋白和其他辅助因子。复制体位于每个复制叉处，进行 DNA 链的聚合反应。

鉴于 DNA 双螺旋中的这两条单链具有相反的走向，DNA 聚合酶在这两条单链中发挥的作用存在差异。在一条被称作前导链（leading strand）的单链上，DNA 聚合酶能够持续地移动，从而为在它的后面形成新的双链 DNA 开路。

针对另一条被称作滞后链（lagging strand）的单链而言，DNA 聚合酶必须先开始移动，结合到这条滞后链上，产生短的双链 DNA 片段，接着从这条滞后链上脱落下来，随后重新开始这一系列步骤。普遍的看法是在前导链和滞后链上的 DNA 聚合酶在某种程度上进行配合以至于一条单链的复制不会领先于另一条单链。实验：滚环复制和荧光染料为了开展实验，这些研究人员使用了环状 DNA 片段，并且该片段利用一段短的尾巴附着到载玻片上。当这种复制体绕着这种环状 DNA 片段滚动时，这段尾巴变得更长。他们能够通过添加或移除 ATP（一种化学燃料分子）和一种荧光染料（在复制时，能够结合到双链 DNA 上，发出荧光）开启或关闭 DNA 复制。最后，这一切都是一种流动腔中发生的，因此这些 DNA 链像在微风中的旗帜那样向外延伸。停止、开始和可变的复制速度一旦 Graham、Kowalczykowski 和 Marians 开始观察单个 DNA 链，他们就取得意料之外的发现。复制不可预见地停止，而且当再次开始复制时，复制速度能够发生变化。这种复制速度能够改变大约 10 倍。

滞后链合成有时会停止，但是前导链合成持续进行。这会在发光的前导链上出现黑暗区，这是因为这种染料不会附着到单链 DNA 上。

Kowalczykowski 说，“我们证实这两条单链之间不存在协调。它们是完全自主的。”

看起来像是存在协调的样子实际上是复制起始、停止和速度变化随机发生的结果。在一段时间之后，任何一条单链按照平均速度进行复制；同时观察多条单链，它们将具有相同的平均复制速度。

这些研究人员也发现解旋酶上存在“安全手柄”或者说自动制动器，这种酶在其余的酶之前让 DNA 解开双链。当 DNA 聚合酶停下来时，解旋酶能够持续移动，潜在地打开一个解链的 DNA 缺口而可能容易遭受损伤。事实上，暴露出来的单链 DNA 在细胞内发出一种警报信号来激活修复酶。

但是，结果是当解旋酶从复制体上脱落下来，开始远离复制体的剩余部分时，它的移动速度减慢大约 5 倍。因此，它慢慢地移动直到复制体的剩余部分追赶上来，随后它再次加速移动。

Kowalczykowski 说，这种新的随机方法是一种思考 DNA 复制和其他的生化过程的新方法。他说，“这是一种真正的观念变化，颠覆了教科书中的很多东西。”