生物化學(xué)家已經(jīng)查明，能夠引起癌癥和老化的一個重要DNA缺陷是如何欺騙的細胞生物酶去進行DNA復(fù)制的,。他們的發(fā)現(xiàn)說明了能夠?qū)е掳┌Y和老化的氧化性DNA損傷如何能夠產(chǎn)生永久性的基因破壞,。杜克大學(xué)醫(yī)學(xué)中心研究人員的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在2004年8月22日的Nature雜志上。
DNA是一個雙螺旋分子,。螺旋形的兩條鏈通過一些核苷進行相互連接,。其中的四個核苷分別是鳥嘌呤、胞嘧啶,、腺嘌呤和胸腺嘧啶,，在正常DNA中，鳥嘌呤和胞嘧啶配對，腺嘌呤和胸腺嘧啶配對,。然而,，游離的活性氧化基團可以將鳥嘌呤變成“8-氧基－鳥嘌呤”，這個過程會引起核苷的錯配,。這個錯配發(fā)生在兩條鏈分開時的DNA復(fù)制過程中,。DNA聚合酶以其中的一條鏈為模板，通過互補作用去產(chǎn)生新的雙鏈DNA分子,。在復(fù)制的過程中,，整條DNA鏈都通過聚合酶上面的一個激活位點，這個過程就像使一根意大利面條都經(jīng)過一塊奶酪,。
通常情況下,，這個“高保真”的DNA聚合酶可以準(zhǔn)確的添加互補的核苷分子，并且可以檢測到在這個過程中發(fā)生的錯誤,。這些錯誤或錯配是由于形態(tài)改變而不能通過活性位點——就像打結(jié)的意大利面條會堵住奶酪,。這些畸形的產(chǎn)物可以引發(fā)修復(fù)機制來糾正錯配的問題。
研究人員最初研究發(fā)現(xiàn),，DNA聚合酶的生物化學(xué)反應(yīng)“寧愿”用8-氧基－鳥嘌呤代替正常的胞嘧啶與鳥嘌呤配對,。如果不進行檢測和糾正，這樣的錯配可以導(dǎo)致細胞中正常機制的錯誤,，引發(fā)不受控制的癌癥生長,，或者老化過程中的細胞死亡。
然而,，研究人員很早就知道8-氧基－鳥嘌呤的錯配很容易躲過DNA聚合酶的檢測,。“已經(jīng)進行了很多關(guān)于這個錯配反應(yīng)的動力學(xué)和生物化學(xué)研究工作，但是我們?nèi)圆磺宄槭裁催@個錯配損傷可以躲避聚合酶的檢測過程,，”Beese說,。“這個錯配損傷是這類氧化損傷中的一個，卻被認(rèn)為是致變性最強的一個,，這就是我們?yōu)槭裁匆M全力去研究它,。”
Hsu對一種耐熱的嗜熱脂肪芽孢桿菌（Bacillus stearothermophilus）中的聚合酶進行研究。他將這個聚合酶和一條包含了一個8-氧基－鳥嘌呤的DNA鏈共同結(jié)晶,。因為這個聚合酶在晶體中依然有合成DNA的能力,，所以Hsu分別加入了正確的胞嘧啶核苷或者不正確的腺嘌呤核苷來觀察結(jié)果。通過X射線晶體衍射技術(shù),，研究人員可以準(zhǔn)確的推斷出晶體中的蛋白結(jié)構(gòu)和DNA結(jié)構(gòu),。通過一系列晶體分析這個酶合成正確鏈和突變鏈的過程，研究人員對這個酶的功能有了初步的認(rèn)識,。生物化學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象,。“當(dāng)聚合酶把胞嘧啶和8-氧基－鳥嘌呤配對時,，我們看到的結(jié)構(gòu)就像DNA錯配的結(jié)構(gòu)，”Beese說,。“這說明聚合酶的功能將會停止復(fù)制過程。”“但是,，當(dāng)我們加入一個不正確的腺嘌呤核苷,，它卻可以在聚合酶的作用下進行類似正常的配對過程。”
研究人員的分析顯示8-氧基－鳥嘌呤和胞嘧啶的錯配就像打結(jié)的意大利面一樣,，將會堵住活性位點,；然而，錯配的8-氧基－鳥嘌呤和腺嘌呤則不會變形,，仍然可以順利的通過聚合酶,，形成一個新的DNA分子。
“我們可以延長這個復(fù)制過程來證明聚合酶沒有檢測到這個錯配,。這意味著,，DNA將繼續(xù)對這個錯配進行復(fù)制，而且這個過程可以間接的導(dǎo)致一個有害突變的穩(wěn)定結(jié)合到染色體的過程,，”Beese說,。
通過更進一步的分析，Hsu證實,，細菌的聚合酶和人類的聚合酶一樣,，有這種錯配的傾向，而且不能識別這個錯配過程,。他們也發(fā)現(xiàn),，如果8-氧基－鳥嘌呤和胞嘧啶的配對能通過聚合酶的話，這個配對變性就會消失,，也就是說這個有化學(xué)缺陷的8-氧基－鳥嘌呤將永遠存在于DNA鏈中,。
在進一步的研究中，Beese和她的同事們正在探測其它類型的DNA損傷,，以及這些損傷如何影響復(fù)制,。這些損傷包括那些致癌物質(zhì)引起的損害。研究人員也開發(fā)了一種可以模擬DNA復(fù)制過程的方法,，可以對復(fù)制過程進行X射線晶體衍射,，使我們可以更好的了解這個過程。
