DNA复制的免错机制

DNA复制的免错机制

吴晓东

一切生命都依赖遗传信息的正确传递。人的一组遗传信息的长度大约为30亿个碱基对，人基因组的错误率即使低到100万分之一，每次复制也将出现3000处错误。从一个受精卵发育成人，该基因大约要复制1 000万次。但实际的错误率大约为100亿分之一。

DNA双链互补的结构巧妙地适于保持遗传信息的完整性，碱基对的互补是DNA双链互补的基础。研究表明，一些独立的酶促过程协同作用，保证DNA复制的高度精确性：第一，从4个核苷酸中选择一个加到新生链上去；第二，校对刚加上去的核苷酸，如某个核苷酸不互补，就把它去掉；第三，合成后纠正前两个过程漏掉的错误。因为核苷酸的选择与校对和DNA复制同时进行，故将第一和第二过程称作“免错机制”，而把第三过程称作错配修复。复制的高度精确性主要取决于高效的核苷酸选择。这种高效选择由DNA聚合酶介导，该酶沿DNA模板运动，并从核苷酸库里取出核苷酸使其合成互补的DNA股。游离的核苷酸以核苷三磷酸形式存在，而核苷三磷酸形式的核苷酸必须先被切割成单磷酸才能被加到新链上去。DNA聚合酶作用于一个核苷三磷酸，把它切割成单磷酸后再加到新链的末端上去。核苷酸选择取决于各竞争反应之间的能量关系。与另一个碱基相对应任一碱基都可能被插入，但正确的配对能耗最低。N．Nossal和D．Korn证明，当核苷三磷酸和模板核苷酸互补时，聚合酶、模板DNA和核苷三磷酸的复合体是稳定的。

有证据表明，选择既作用于三磷酸的结合，也作用于单磷酸的掺入。与作用于三磷酸结合的选择相比，单磷酸掺入水平上的选择可能更为精密。以M．Radman等的工作为基础的模型假设，被聚合酶结合的大多数核苷酸使选择通过三磷酸筛选，三磷酸被切割成单磷酸并与模板链对准。若某个核苷酸互补，则它和模板碱基吻合完好，因而添加上去后稳定；若非互补，则不能吻合，反应就逆转，该核苷酸又恢复三磷酸形式。

在核苷酸选择水平上，非互补核苷酸掺入率约为10万分之一，在此过程中“滑漏”的某个错误将遇到第二个酶促过程，通过酶(或DNA聚合酶的一部分，或与DNA聚合酶有关的部分)活性进行。20世纪70年代初，D．L·Brutlag和A．Kornberg发现了这种酶并命名为核酸外切(校对)酶，它既能去掉新生链末端的互补核苷酸，又能去掉非互补核苷酸，但实际上它只在核苷酸非互补的情况下才起作用。错配核苷酸的存在有效地阻止下一个核苷酸添加到新生链上去，而核酸外切酶就利用这个聚合过程的间隙将非互补核苷酸去掉，然后DNA聚合酶再设法寻找到末端位置所需的互补核苷一酸。

一般情况下，核苷酸选择和核酸外切酶进行的校对相配合可使错误率降至大约1000万(碱基对)分之一。但如果供合成新链的三磷酸库里4种核苷酸的比例不等，则上述免错机制也可能发生故障。20世纪80年代初，A．R．Fersht等发现，新生链特定位置上的错误率和非互补核苷酸量，以及下一个模板碱基互补的核苷酸数量都成正比。非互补核苷酸的数量多，错配率就高；而和下一个碱基互补的核苷酸数量多，则能促进聚合反应，缩短核酸外切酶起作用的时间。因此，细胞中的核苷酸库的4种核苷酸比例必须精确平衡。

迄今为止，有关DNA复制的高度精确性机制方面的知识大部分来自用细菌进行的实验。现在认为，免错机制可能为一切生物所共有，在所有生物里都以实质上相同的方式起作用。