核苷突变如何混入DNA复制

    生物化学家已经查明，能够引起癌症和老化的一个重要DNA缺陷是如何欺骗的细胞生物酶去进行DNA复制的。他们的发现说明了能够导致癌症和老化的氧化性DNA损伤如何能够产生永久性的基因破坏。 杜克大学医学中心研究人员的发现发表在2004年8月22日的Nature杂志上。

    DNA是一个双螺旋分子。螺旋形的两条链通过一些核苷进行相互连接。其中的四个核苷分别是鸟嘌呤、胞嘧啶、腺嘌呤和胸腺嘧啶，在正常DNA中，鸟嘌呤和胞嘧啶配对，腺嘌呤和胸腺嘧啶配对。然而，游离的活性氧化基团可以将鸟嘌呤变成“8-氧基－鸟嘌呤”，这个过程会引起核苷的错配。这个错配发生在两条链分开时的DNA复制过程中。DNA聚合酶以其中的一条链为模板，通过互补作用去产生新的双链DNA分子。在复制的过程中，整条DNA链都通过聚合酶上面的一个激活位点，这个过程就像使一根意大利面条都经过一块奶酪。

    通常情况下，这个“高保真”的DNA聚合酶可以准确的添加互补的核苷分子，并且可以检测到在这个过程中发生的错误。这些错误或错配是由于形态改变而不能通过活性位点——就像打结的意大利面条会堵住奶酪。这些畸形的产物可以引发修复机制来纠正错配的问题。

    研究人员最初研究发现，DNA聚合酶的生物化学反应“宁愿”用8-氧基－鸟嘌呤代替正常的胞嘧啶与鸟嘌呤配对。如果不进行检测和纠正，这样的错配可以导致细胞中正常机制的错误，引发不受控制的癌症生长，或者老化过程中的细胞死亡。

    然而，研究人员很早就知道8-氧基－鸟嘌呤的错配很容易躲过DNA聚合酶的检测。“已经进行了很多关于这个错配反应的动力学和生物化学研究工作，但是我们仍不清楚为什么这个错配损伤可以躲避聚合酶的检测过程，”Beese说。“这个错配损伤是这类氧化损伤中的一个，却被认为是致变性最强的一个，这就是我们为什么要尽全力去研究它。”

    Hsu对一种耐热的嗜热脂肪芽孢杆菌（Bacillus stearothermophilus）中的聚合酶进行研究。他将这个聚合酶和一条包含了一个8-氧基－鸟嘌呤的DNA链共同结晶。因为这个聚合酶在晶体中依然有合成DNA的能力，所以Hsu分别加入了正确的胞嘧啶核苷或者不正确的腺嘌呤核苷来观察结果。通过X射线晶体衍射技术，研究人员可以准确的推断出晶体中的蛋白结构和DNA结构。通过一系列晶体分析这个酶合成正确链和突变链的过程，研究人员对这个酶的功能有了初步的认识。生物化学家发现了一个奇怪的现象。“当聚合酶把胞嘧啶和8-氧基－鸟嘌呤配对时，我们看到的结构就像DNA错配的结构，”Beese说。“这说明聚合酶的功能将会停止复制过程。”“但是，当我们加入一个不正确的腺嘌呤核苷，它却可以在聚合酶的作用下进行类似正常的配对过程。”

    研究人员的分析显示8-氧基－鸟嘌呤和胞嘧啶的错配就像打结的意大利面一样，将会堵住活性位点；然而，错配的8-氧基－鸟嘌呤和腺嘌呤则不会变形，仍然可以顺利的通过聚合酶，形成一个新的DNA分子。

    “ 我们可以延长这个复制过程来证明聚合酶没有检测到这个错配。这意味着，DNA将继续对这个错配进行复制，而且这个过程可以间接的导致一个有害突变的稳定结合到染色体的过程，”Beese说。

    通过更进一步的分析，Hsu证实，细菌的聚合酶和人类的聚合酶一样，有这种错配的倾向，而且不能识别这个错配过程。他们也发现，如果8-氧基－鸟嘌呤和胞嘧啶的配对能通过聚合酶的话，这个配对变性就会消失，也就是说这个有化学缺陷的8-氧基－鸟嘌呤将永远存在于DNA链中。

    在进一步的研究中，Beese和她的同事们正在探测其它类型的DNA损伤，以及这些损伤如何影响复制。这些损伤包括那些致癌物质引起的损害。研究人员也开发了一种可以模拟DNA复制过程的方法，可以对复制过程进行X射线晶体衍射，使我们可以更好的了解这个过程。