Nature：揭示人体最为常见的DNA突变如何发生变形器（shape-shifter）并不仅是科幻

变形器（shape-shifter）并不仅是科幻的东西，它们是真实的，而且它们存在于我们的DNA中。

在一项新的研究中，研究人员描述了人类DNA中的两个通常不匹配的碱基---鸟嘌呤（G）和胸腺嘧啶（T）---如何能够改变形状，从而在DNA螺旋“梯子”上形成一个不显眼的横档。这允许它们通过躲避身体对基因突变的天然防御而存活下来。相关研究结果于2018年1月31日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Dynamic basis for dG?dT misincorporation via tautomerization and ionization”。

图片来自CC0 Public Domain。

论文共同通信作者、俄亥俄州立大学化学与生物化学教授ZucaiSuo解释道，“当这两个碱基偶然形成氢键时，它们起初匹配得并不很好。它们从DNA螺旋上突出来，因此在正常情形下，用于复制DNA的酶很容易检测到它们并进行修复。但是有时，在被检测出来之前，它们就改变形状，就好像是这两个碱基彼此间进行“修复”一样，因此它们能够像正常的碱基对那样配对并逃避DNA修复机制。

Suo说，“它们是坏人，但是它们假装自己是个好人，从而存活下来。”

这一发现为其他类型的DNA突变研究提供了基础，其中这些类型的突变导致疾病以及正常的老化，甚至进化。

组成DNA的四个碱基有它们各自的大小和形状，应当以正确的方式配对在一起。腺嘌呤（A）总是与胸腺嘧啶（T）配对，胞嘧啶（C）总是与鸟嘌呤（G）配对。这两种“沃森-克里克”碱基配对---A-T和C-G---组成我们所知道的所有生命的DNA序列。但是，如果G以某种方式与T错配，那么这将是一个突变。

事实上，G-T突变是人类DNA中唯一最为常见的突变。在每10000～100000个碱基对中，这种突变就出现一次。这听起来不是很多，但是你要考虑到人类基因组含有30亿个碱基对。

科学家们想要理解突变是如何发生的，以便更好地理解由它们引起的很多疾病，如癌症。这项新的研究提供了重要的信息，以便人们能够在这个领域继续向前取得新的进展。

尽管科学家们长期以来一直在猜测为了类似于正常的G-C或A-T ，G-T错配会改变形状，这种现象之前从未被直接观察到。直到在Hashim M. Al-Hashimi领导下，杜克大学生物化学家利用一种核磁共振成像揭示出这些沃森-克里克类似的G-T错配在所谓的“裸露的”DNA中形成。

不过，存在的一个问题是G-T错配如何存在。这就是为何Al-Hashimi与Suo联系，并请求他协助确定背后的生化机制。

Al-Hashimi说，“一个有趣的问题是：是什么决定了活的有机体中的突变率。从那里，我们能够开始理解提高错配的特定条件或环境应激因素。”

Suo和博士生Walter Zahurancik利用DNA聚合酶（一种复制DNA的酶）将G-T错配插入到DNA链中。通过在不同的时间里中止这种酶促化学反应并分析形成的DNA分子，他们能够测量这种聚合酶如何高效地形成G-T错配。

Al-Hashimi和Suo一起确定G和T碱基会配对，但是以一种从DNA螺旋中突出来的异常方式进行配对。然后，在不到一秒的时间里，这两个碱基会重排它们的化学键，这样它们就能够快速地产生一个正常的碱基对的形状，并诱骗这种聚合酶完成这种化学反应。

总之，它们进行伪装，从而使得酶在DNA复制和修复期间不太可能将它们检测出来。

这种突变能够存活下来是一个真正的壮举，这是因为它必须克服一些基本的物理学限制。碱基以某种方式配对源自于它们的原子中的质子和电子的排列方式。碱基配对需要一定的能量，最简单、最节能的配对是“正确的”碱基配对，即A-T和C-G。

实际上，G-T配对必须克服能量障碍才能形成和自我维持。事实证明当G和T碱基改变形状时，它们让它们自己更加节能---尽管效率仍然比正常的碱基配对要低，但也足够高效。

接下来，这些研究人员将试图利用另一种不太常见的突变（A-C错配）开展类似的实验。