摘要：根據(jù)一項新的研究，對控制人體細胞復(fù)制方式至關(guān)重要的酶，可能正是鼓勵DNA自發(fā)突變的成分，從而導(dǎo)致潛在的永(空)久性遺傳錯誤。
根據(jù)薩里大學(xué)的一項新研究，對控制人體細胞復(fù)制方式至關(guān)重要的酶，可能正是鼓勵DNA自發(fā)突變的成分，從而導(dǎo)致潛在的永(空)久性遺傳錯誤。
利用最(空)先進的量子化學(xué)計算，來自薩里大學(xué)量子生物學(xué)博士培訓(xùn)中心的研究人員發(fā)現(xiàn)，DNA自我復(fù)制過程的部分速度比之前預(yù)測的要快100倍。這一發(fā)現(xiàn)為假設(shè)的理論提供了新的解釋，該理論認為量子效應(yīng)不會持續(xù)足夠長的時間來受到復(fù)制過程的影響。
圖1 酶可能是鼓勵DNA自發(fā)突變的成分從而導(dǎo)致潛在的永(空)久性遺傳錯誤（圖源：[1]）
來自薩里大學(xué)的這項研究的合著者馬克斯·維諾肯說:
“我們一直認為量子力學(xué)在生物環(huán)境中會受到影響。然而，令人著迷的是，由于解旋酶的作用，量子隧道引起的突變更加穩(wěn)定。
“雖然其他人把解旋酶描繪成量子突變的守門人，但我們的研究表明，這種酶與這些突變的形成有著深刻的聯(lián)系。"
這一著名的雙螺旋結(jié)構(gòu)賦予了DNA非凡的穩(wěn)定性，以及它在相反鏈上的基因字母之間的配對規(guī)則。正常情況下，A總是和T結(jié)合，G總是和C結(jié)合這是由于這些生物分子的不同結(jié)構(gòu)以及堿基對之間形成的氫鍵數(shù)量的不同。形成這種化學(xué)鍵的質(zhì)子(氫原子的原子核)偶爾會在它們之間轉(zhuǎn)移，形成罕見的稱為互變異構(gòu)體的狀態(tài)。
當一個細胞開始自我復(fù)制時，它必須進行DNA復(fù)制。在復(fù)制過程中，第一步是分離兩條DNA鏈，使每一條DNA鏈都可以用作新DNA的模板。這種DNA鏈的分離是由一種叫做“解旋酶"的酶實現(xiàn)的，它會與DNA鏈中的一條結(jié)合，并將其穿過自身，從而迫使DNA分離。潛在的突變DNA堿基必須在這一過程中存活下來，才有可能造成永(空)久性的遺傳錯誤。
然而，以前認為解旋酶的作用太慢了。因此，當鏈被分離時，任何自發(fā)的點突變都能找到回到其自然和更穩(wěn)定的位置的方法。這項新研究開始解釋量子力學(xué)效應(yīng)可能是解開基因突變秘密的關(guān)鍵，以及它們對地球上生命的許多影響。此外，這份新報告發(fā)現(xiàn)，這種機械分離實際上穩(wěn)定了DNA的突變形式。
圖2 用于研究鳥嘌呤-胞嘧啶正則和互變異構(gòu)堿基對是如何分開的分離方案（圖源：[1]）
薩里大學(xué)的馬爾科·薩基博士領(lǐng)導(dǎo)了這項研究的計算工作，他說:
“人們對量子效應(yīng)在DNA損傷和基因突變中的作用知之甚少。我們相信，只有把量子物理學(xué)和計算化學(xué)結(jié)合起來，我們才能闡明DNA錯誤起源的難以捉摸的機制。"
薩里大學(xué)量子生物學(xué)博士培訓(xùn)中心的聯(lián)合主任Jim Al-Khalili教授說:
發(fā)現(xiàn)最令人興奮的是，這項工作匯集了物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)等學(xué)科的前沿研究，來回答當今科學(xué)中最有趣的問題之一。薩里大學(xué)正在迅速成為這一領(lǐng)域的世界領(lǐng)(空)導(dǎo)者，令人興奮的結(jié)果正在出現(xiàn)。"
參考資料：
[1] Louie Slocombe, Max Winokan, Jim Al-Khalili, Marco Sacchi. Proton transfer during DNA strand separation as a source of mutagenic guanine-cytosine tautomers. Communications Chemistry, 2022; 5 (1) DOI: 10.1038/s42004-022-00760-x
