中国科学院揭秘DNA聚合酶工作机理
中国科学院揭秘DNA聚合酶工作机理
近日，中国科学院物理研究所的研究团队在DNA聚合酶研究领域取得重大突破。通过运用广义第一性原理进行理论计算和模拟，研究人员首次揭示了DNA聚合酶Klenow片段的工作机理，这一发现不仅为理解生命科学提供了新的视角，也为未来高效研发控制病毒、细菌和癌症等重大疾病的有效药物奠定了基础。
DNA聚合酶是生物体内一种关键的酶，主要负责在DNA复制过程中催化脱氧核苷酸（dNTP）聚合形成新的DNA链。它具有以下核心作用：
- DNA合成：以亲代DNA为模板，将dNTP逐个添加到引物3'端，合成子代DNA链。
- 校对功能：通过3'→5'外切酶活性识别并切除错配碱基，确保复制准确性。
DNA聚合酶具有以下主要特性：
- 依赖模板与引物：需要DNA模板和RNA或DNA引物才能启动合成。
- 5’→3’方向合成：只能从5'向3'方向延伸新链。
- 多功能性：兼具聚合酶、外切酶等多种活性，参与修复及校对。
在原核生物中，主要有两种DNA聚合酶：
- DNA聚合酶Ⅰ：填补空隙、切除RNA引物，并具有修复功能。
- DNA聚合酶Ⅲ：主要负责DNA复制过程中的链延长。
而在真核生物中，则有多种DNA聚合酶协同工作：
- DNA聚合酶α：合成引物并起始前导链和后随链的复制。
- DNA聚合酶δ和ε：负责高保真度的DNA复制及损伤修复。
此次中国科学院物理研究所的研究聚焦于Klenow片段，它是大肠杆菌DNA聚合酶I的蛋白水解产物，具有5'→3'聚合酶活性和3'→5'外切酶活性，但缺乏5'→3'外切酶活性。这种特性使其在分子生物学实验中广泛应用，特别是在cDNA的第二链合成过程中。Klenow片段能够使DNA分子获得同位素标记，这对于追踪DNA序列或研究DNA复制至关重要。
研究团队采用广义第一性原理，这是一种基于量子力学的计算方法，能够精确描述分子体系的电子结构和性质。通过这种方法，研究人员首次揭示了Klenow片段的连续动态工作机理。这一发现对于理解DNA复制过程中的高保真性具有重要意义。
这一突破性研究不仅深化了我们对生命科学基础过程的理解，更为未来药物研发开辟了新途径。由于DNA聚合酶在病毒、细菌和癌症等疾病发生发展过程中扮演着关键角色，对其工作机理的深入理解将有助于开发更有效的治疗手段。
值得一提的是，这项研究发表在中国物理学报上，并被选为推荐论文，充分展示了中国在基础科学研究领域的实力和创新能力。这一成果不仅体现了我国科研人员在生命科学领域的深厚积累，更为未来相关领域的研究提供了新的理论基础和研究方向。
随着对DNA聚合酶工作机理的不断深入理解，我们有理由相信，在不久的将来，人类将能够更好地控制和治疗各种重大疾病，为人类健康事业带来新的希望。