国科大和理论物理所有关DNA聚合保真度的定量研究

被JPCM选为2017年度亮点工作

理论和计算生物物理实验室

      DNA聚合酶（DNAP）是细胞内最重要的分子机器之一，负责催化受模板链指导的DNA链聚合过程（即通过Watson-Crick配对实现遗传信息的高保真复制），是遗传信息得以稳定维持和表达的基础。结构生物学和生物化学研究表明，典型的DNAP都包含聚合位点（Pol，记为P）以及外切位点（Exo，记为E），两位点相互协作，实现对遗传信息的高速、高保真复制，典型的保真度（即复制出错率的倒数）大约为10⁶~10⁹。

      关于DNAP的高保真机制，已经积累了大量的结构生物学、生物化学和单分子生物学研究。目前普遍的共识是Pol与Exo两个位点分别承担不同的功能（图一）。Pol位点能选择性地催化核苷酸单体的共聚反应，即其催化位点的几何构型（大小、形状等）能较容易地容纳与模板核苷酸配对的核苷酸单体，而不容易接纳错配碱基，因此主要将配对碱基而非错配碱基添加到DNA复制链的生长端。这一“核苷选择”是DNAP高保真的第一个来源，现有实验初步确定其对保真度的贡献大约为10⁴~10⁶量级。另一方面，生长链的末端会在热涨落作用下摆动到Exo位点并被切除。如果末端掺入的是错配，则上述过程很容易发生；而如果末端是正确配对，则上述过程发生的概率很小，由此能实现对末端错配的高效率校对。这一“剪切校对”是DNAP高保真的第二个来源，现有实验估计其对保真度的贡献大约为10²~10³量级。

图一  DNAP两位点相互协作的“共聚-校对”过程示意图。

      早在1970年代，著名物理学家J.Hopfield就指出上述复制保真度不可能源于配对和错配之间的热力学（自由能）差别，而是源于两者的动力学（反应速率）差异。此后大量实验对Pol、Exo两位点的催化动力学分别进行了细致的实验研究，但由于理论分析上的困难（如下），长期以来一直缺乏一个系统的理论框架能将所有动力学信息整合起来，从而精确预测、计算复制速度、保真度等重要物理量。理论分析最核心的困难在于一旦引入了“剪切校对”过程，则描述整个“共聚-校对”过程的动力学方程将变为无穷多个级联方程组，数学上没有现成的方法可以解析求解这类方程组。此外，DNAP的共聚反应、校对反应中还可能存在高阶的末端近邻效应（即，添加或剪切末端单元的速率可能都依赖于其近邻的多个单元），这类效应可能对DNAP保真度有显著影响，例如，当生长链末端发生错配时，若下一步聚合的速度降低、而末端被转移剪切的速度升高，则这个一阶近邻效应会显著提升校对效率（即提升保真度）。这类高阶近邻效应对于动力学建模和分析引入了额外的复杂性和难度。

      正对上述复杂情况，国科大350vip浦京集团黎明和理论物理所舒咬根等综合各种实验观测结果，提出了一个完整的DNAP“共聚-校对”反应模型（图二），建立了系统的定态动力学的理论分析框架，并对相应的无穷大级联方程组给出了精确、系统的数学处理，从而能将已知的动力学信息整合起来，计算预测保真度等重要物理量。特别是，针对含有任意阶近邻效应的保真度问题（例如图三所示的一阶、二阶效应），他们在相当宽的参数范围内导出了保真度的近似解析表达式（图四），系统、直观地揭示了Pol、Exo两位点的各阶近邻效应如何相互匹配从而决定了最终的保真度，并且明确了决定保真度的极少数关键动力学参数。在此基础上，结合DNAP中双链DNA的特殊结构数据，他们进一步提出，典型的两位点DNAP应该存在着一阶直到四阶的近邻效应、且各阶效应的量级大致相当，从而高阶近邻效应对校对效率的贡献可能将大大高于目前认可的值（10²~10³量级），这一预测将在未来的实验中得到检验。

图二  DNAP“共聚-校对”动力学模型 

图三  最小“共聚-校对”动力学：一阶近邻效应（左），二阶近邻效应（右）

图四  h-阶近邻效应对保真度的贡献。Φ是总体保真度，Φ_s表示Pol位点“核苷选择”的贡献，Φ_e表示Exo位点“剪切校对”的贡献。

      上述研究成果发表于J. Phys.: Condensed Matter 29 (2017) 025101。论文得到了审稿人的高度评价，并被选为当期的亮点工作在其官网上介绍 (https://jphysplus.iop.org/2017/01/26/a-quantitative-understanding-of-high-fidelity-dna-polymerase/)。2018年2月，论文又被该杂志选为2017全年度的亮点工作之一进行推荐介绍（http://iopscience.iop.org/journal/0953-8984/page/Highlights-2017）。

      该工作还先后受邀在首届生物马达国际会议（Aug. 16-19, 2017, Ohio, USA）和第11届国际生物医学工程和系统联席会议（BIOSTEC 2018, Jan. 19-21, Funchal, Madeira, Portugal）上作邀请报告。