DNA複製具有高度忠實性(fidelity),其錯配機率約為10-10。從熱力學上考慮,鹼基發生錯配的機率約為10-2,酶對底物的選擇作用和校正作用各使錯配機率下降兩個數量級,所以體外合成DNA的錯配機率為10-6。體內複製叉的複雜結構提高了複製的準確性,修復系統又對錯配加以糾正,進一步提高了複製的忠實性。
DNA複製中產生的錯誤首先由DNA聚合酶的校對活性進行糾正。不匹配的DNA鏈從聚合酶活性位點POL轉移至3'→5'核酸外切酶活性位點(EXO),錯配的鹼基透過校對被切除。有3個真核DNA聚合酶具有校對活性:聚合酶δ、ε和γ。Polδ和ε用於核基因複製,而Polγ位於線粒體。
逃脫校對的錯誤主要透過錯配修復(mismatch repair,MMR)系統進行糾正。這個過程發生在核小體重新裝配之前,以儘量避免將錯配包裝到核小體中。在錯配的核苷酸得到修復之前,某些MMR相關蛋白(如MSH6)可以抑制CAF-1介導的核小體裝配。
人細胞中典型的MMR反應包括三個主要步驟。首先,錯配識別蛋白MutSα(MSH2-MSH6異二聚體)或MutSβ(MSH2-MSH3異二聚體)識別錯配。前者主要識別單鹼基錯配和一兩個鹼基的插入或缺失(IDL),後者主要用於識別較大的IDL。
MutS與錯配部位結合後發生構象變化,形成可沿DNA運動的移動鉗(mobile clamp)。移動鉗募集MutLα蛋白,後者被複制體上的PCNA(滑動鉗)啟用,在錯配位點兩側切割出切口,再由外切核酸酶EXO1將這一段大約數百鹼基的核苷酸切除(也可由POLδ/ε從切口處引發鏈置換合成)。最後,由DNA聚合酶δ(滯後鏈)或ε(前導鏈)重新合成子鏈,DNA連線酶封閉缺口。
值得一提的是,由於接近複製體,核小體也尚未裝配,所以此時可以輕易識別新生的子鏈(比如利用PCNA充當鏈識別訊號),從而以親代鏈為模板進行修復。當核小體裝配完成之後,就很難分辨一對錯配鹼基中到底哪個正確了。
複製的忠實性對於生存與繁衍非常重要。忠實地複製不僅是物種穩定遺傳的基礎,也是個體生存的保障。對於壽命較長的多細胞生物,在個體生存期間會經歷多次細胞分裂。如果複製的忠實性不足,就很容易積累突變,導致衰老和多種疾病。
根據最近的研究,人類幹細胞中的突變大約以每年40個的速率穩定積累(Nature. 2016 Oct 13; 538(7624): 260–264.)。這些突變中的一部分可能是在跨損傷合成(TLS)時產生的。TLS能夠使細胞有效完成有損傷模板的複製,從而避免死亡,但其忠實性較低,所以也給機體埋下了隱患。這方面的研究是目前的熱點之一。
有一種理論認為,體細胞突變的積累是衰老的原因。突變會干擾基因的正確表達,影響細胞功能。在早期,由於生物體具有一些冗餘結構,所以突變不會立即導致衰老。但當一個細胞的遺傳冗餘(以二倍體形式)耗盡,其功能即無法正常發揮;當機體的細胞冗餘耗盡,就會迅速衰老。
突變的積累也與腫瘤的發生和發展密切相關。研究表明,腫瘤具有顯著的遺傳不穩定性,而且表現在三個不同的層次上:染色體不穩定(CIN)涉及多種染色體畸變(易位、缺失、基因重複、三體或缺體等),微衛星不穩定(MSI或MIN)涉及短串聯重複序列(微衛星序列)的擴增或減少,點突變不穩定(PIN)涉及核苷酸序列的改變(鹼基取代、缺失、插入等)。
這些遺傳不穩定的產生和修復機制,比如各種DNA聚合酶的特性與突變、TLS與腫瘤發展等,都是目前腫瘤研究的熱點領域。
另一方面,突變也是遺傳多樣性和生物進化的來源,所以複製的忠實性也不是越高越好。有些生物就是以高突變率和龐大種群作為生存和進化的基本策略,使其能夠迅速適應新的環境。RNA病毒是此類的典型代表。
與DNA複製相比,RNA複製的保真度要低得多。催化RNA複製的酶(RdRp)很容易出錯,機率大約為萬分之一,與其基因組大致相當。所以RNA病毒每輪基因組複製大約會產生一個突變。
由於RNA病毒種群龐大,所以在宿主感染期間會產生大量緊密相關的病毒變體。這些突變多數是不利的,但偶爾出現的有利突變會迅速被篩選出來,並快速擴散。這使病毒能夠快速適應新的生存環境(如更換宿主、逃避宿主免疫系統、產生抗藥性等)。正是由於這種機制,流感病毒等每年都會產生新的突變株,大約每十年會由於出現一種重大突變而引起一次大流行。
除類病毒外,RNA病毒是突變率最高的已知物種。有研究認為RNA病毒已經處於複製忠實性閾值的邊緣,突變負擔的任何增加都將導致病毒種群的滅絕。當用誘變劑如核苷類似物等處理後,這些病毒數量就會急劇下降(Viruses. 2018 Nov 1;10(11). pii: E600.)。
DNA複製具有高度忠實性(fidelity),其錯配機率約為10-10。從熱力學上考慮,鹼基發生錯配的機率約為10-2,酶對底物的選擇作用和校正作用各使錯配機率下降兩個數量級,所以體外合成DNA的錯配機率為10-6。體內複製叉的複雜結構提高了複製的準確性,修復系統又對錯配加以糾正,進一步提高了複製的忠實性。
DNA複製中產生的錯誤首先由DNA聚合酶的校對活性進行糾正。不匹配的DNA鏈從聚合酶活性位點POL轉移至3'→5'核酸外切酶活性位點(EXO),錯配的鹼基透過校對被切除。有3個真核DNA聚合酶具有校對活性:聚合酶δ、ε和γ。Polδ和ε用於核基因複製,而Polγ位於線粒體。
逃脫校對的錯誤主要透過錯配修復(mismatch repair,MMR)系統進行糾正。這個過程發生在核小體重新裝配之前,以儘量避免將錯配包裝到核小體中。在錯配的核苷酸得到修復之前,某些MMR相關蛋白(如MSH6)可以抑制CAF-1介導的核小體裝配。
人細胞中典型的MMR反應包括三個主要步驟。首先,錯配識別蛋白MutSα(MSH2-MSH6異二聚體)或MutSβ(MSH2-MSH3異二聚體)識別錯配。前者主要識別單鹼基錯配和一兩個鹼基的插入或缺失(IDL),後者主要用於識別較大的IDL。
MutS與錯配部位結合後發生構象變化,形成可沿DNA運動的移動鉗(mobile clamp)。移動鉗募集MutLα蛋白,後者被複制體上的PCNA(滑動鉗)啟用,在錯配位點兩側切割出切口,再由外切核酸酶EXO1將這一段大約數百鹼基的核苷酸切除(也可由POLδ/ε從切口處引發鏈置換合成)。最後,由DNA聚合酶δ(滯後鏈)或ε(前導鏈)重新合成子鏈,DNA連線酶封閉缺口。
值得一提的是,由於接近複製體,核小體也尚未裝配,所以此時可以輕易識別新生的子鏈(比如利用PCNA充當鏈識別訊號),從而以親代鏈為模板進行修復。當核小體裝配完成之後,就很難分辨一對錯配鹼基中到底哪個正確了。
複製的忠實性對於生存與繁衍非常重要。忠實地複製不僅是物種穩定遺傳的基礎,也是個體生存的保障。對於壽命較長的多細胞生物,在個體生存期間會經歷多次細胞分裂。如果複製的忠實性不足,就很容易積累突變,導致衰老和多種疾病。
根據最近的研究,人類幹細胞中的突變大約以每年40個的速率穩定積累(Nature. 2016 Oct 13; 538(7624): 260–264.)。這些突變中的一部分可能是在跨損傷合成(TLS)時產生的。TLS能夠使細胞有效完成有損傷模板的複製,從而避免死亡,但其忠實性較低,所以也給機體埋下了隱患。這方面的研究是目前的熱點之一。
有一種理論認為,體細胞突變的積累是衰老的原因。突變會干擾基因的正確表達,影響細胞功能。在早期,由於生物體具有一些冗餘結構,所以突變不會立即導致衰老。但當一個細胞的遺傳冗餘(以二倍體形式)耗盡,其功能即無法正常發揮;當機體的細胞冗餘耗盡,就會迅速衰老。
突變的積累也與腫瘤的發生和發展密切相關。研究表明,腫瘤具有顯著的遺傳不穩定性,而且表現在三個不同的層次上:染色體不穩定(CIN)涉及多種染色體畸變(易位、缺失、基因重複、三體或缺體等),微衛星不穩定(MSI或MIN)涉及短串聯重複序列(微衛星序列)的擴增或減少,點突變不穩定(PIN)涉及核苷酸序列的改變(鹼基取代、缺失、插入等)。
這些遺傳不穩定的產生和修復機制,比如各種DNA聚合酶的特性與突變、TLS與腫瘤發展等,都是目前腫瘤研究的熱點領域。
另一方面,突變也是遺傳多樣性和生物進化的來源,所以複製的忠實性也不是越高越好。有些生物就是以高突變率和龐大種群作為生存和進化的基本策略,使其能夠迅速適應新的環境。RNA病毒是此類的典型代表。
與DNA複製相比,RNA複製的保真度要低得多。催化RNA複製的酶(RdRp)很容易出錯,機率大約為萬分之一,與其基因組大致相當。所以RNA病毒每輪基因組複製大約會產生一個突變。
由於RNA病毒種群龐大,所以在宿主感染期間會產生大量緊密相關的病毒變體。這些突變多數是不利的,但偶爾出現的有利突變會迅速被篩選出來,並快速擴散。這使病毒能夠快速適應新的生存環境(如更換宿主、逃避宿主免疫系統、產生抗藥性等)。正是由於這種機制,流感病毒等每年都會產生新的突變株,大約每十年會由於出現一種重大突變而引起一次大流行。
除類病毒外,RNA病毒是突變率最高的已知物種。有研究認為RNA病毒已經處於複製忠實性閾值的邊緣,突變負擔的任何增加都將導致病毒種群的滅絕。當用誘變劑如核苷類似物等處理後,這些病毒數量就會急劇下降(Viruses. 2018 Nov 1;10(11). pii: E600.)。