DNA為啥會自發(fā)變異

近期，一項研究表明，支配微小世界的量子力學可能有助于解釋為什么基因突變會在DNA自我復制的過程中自發(fā)出現(xiàn)。

DNA“點突變”

量子力學用于描述支配原子及其亞原子成分的奇怪規(guī)則，當描述宏觀世界的經(jīng)典物理規(guī)則失效時，量子就會介入進行解釋，在DNA的例子中，經(jīng)典物理學提供一種解釋，分析了為什么DNA螺旋階梯的某一階突然發(fā)生變化，會導致所謂的“點突變”。據(jù)悉，DNA由脫氧核苷酸組成，而脫氧核苷酸是由堿基、脫氧核糖和磷酸構(gòu)成，其中堿基有4種：腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）。DNA攜帶著合成RNA和蛋白質(zhì)所必須的遺傳信息，是生物發(fā)育和正常運作必不可少的生物大分子。

在日前發(fā)表的一項最新研究中，研究人員探索了另一種解釋，表明一種被稱為質(zhì)子隧穿的量子現(xiàn)象可以通過允許DNA中帶正電荷的質(zhì)子從一個位置跳躍至另一個位置，產(chǎn)生點突變，反之，這將微妙地改變連接DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)兩側(cè)的氫橋鍵，當DNA進行自我復制的時候，氫橋鍵會出現(xiàn)錯誤。

研究人員指出，這種微妙變化尤其可能導致DNA序列出現(xiàn)“錯版”，當DNA鏈復制時，錯誤的DNA“字母”將配對在一起，這些字母也被稱為堿基，通常以某種方式配對：A至G，G至C，但是質(zhì)子隧穿會導致一些堿基混合和匹配。

英國曼徹斯特大學計算和理論化學教授薩姆·海伊說：“關于DNA堿基對中氫鍵和質(zhì)子轉(zhuǎn)移，科學家已進行了大量計算工作，這項最新研究使用了非常精湛的計算方式來重新檢驗該現(xiàn)象?！?/p>

然而，由于使用特定的計算方法，研究人員僅能在單堿基和堿基對的水平上模擬少部分DNA鏈，這意味著該模型不包括DNA雙螺旋的兩側(cè)，也不包括位于DNA鏈上其他位置的堿基對，這些位置的結(jié)構(gòu)可能對研究質(zhì)子隧穿現(xiàn)象具有重大影響，但要模擬整個DNA鏈將需要巨大的計算能力，可能要等到計算能力或者方法進一步改進后才能解決該問題。

經(jīng)典物理學與量子力學

目前，經(jīng)典物理學也能提供為什么質(zhì)子在DNA鏈周圍跳躍的謎團。DNA堿基對由氫鍵連接在一起，氫鍵是一種氫原子和堿基分子之間相對較弱的吸引力，這些化學鍵可以通過加熱被打破，因為隨著溫度的升高，分子會劇烈振動和抖動，導致氫原子從原來的位置彈出。

英國薩里大學勒弗休姆量子生物學博士培訓中心博士生路易·斯洛康姆說：“你可以想象整個環(huán)境在抖動、振動……一切都處于動態(tài)、在移動著。”原子在絕對零度以上的任何溫度下都會擺動，因為熱量會增強它們的動能或者運動。

依據(jù)經(jīng)典熱力學，這種類型的振動有時會使氫原子跳到DNA的新位置，短暫地形成新鍵，但是原子很快就會彈回到原來的位置，由于DNA堿基的分子結(jié)構(gòu)，氫原子傾向于在兩對堿基之間形成某種“穩(wěn)定”位置，它們將在這里保持很長時間，期間僅會短暫地逃至不尋常的“不穩(wěn)定”位置。

氫原子僅有一個質(zhì)子，一個負電荷的電子，沒有中子;在其形成DNA的過程中，這些原子在形成鍵的時候，電子會被一對堿基“奪走”。因此2014年的一篇研究報告稱，實際上，當氫原子從DNA鏈的一端跳至另一端時，它們會以單個質(zhì)子的形式進行移動，因此科學家將該現(xiàn)象稱為“質(zhì)子轉(zhuǎn)移”。

但是依據(jù)最新這項研究，經(jīng)典質(zhì)量轉(zhuǎn)移并不能解釋所有質(zhì)子在DNA中跳躍的現(xiàn)象。從本質(zhì)上講，與我們計算量子速率的數(shù)字相比，僅通過經(jīng)典熱力學導致的質(zhì)子在DNA中跳躍的概率非常低。換句話說，質(zhì)子隧穿可能比熱量自身驅(qū)動更多的質(zhì)子跳躍。

跳躍障礙

質(zhì)子隧穿依賴于不確定的量子質(zhì)量，不適用于更大的空間，例如：在較大的空間中，你可以確定火車的位置及其行駛速度，并利用這些信息，預測火車何時到達下一站。

然而，就亞原子粒子而言，它們的確切位置和速度無法同時計算出來，科學家僅能通過計算粒子以特定速度出現(xiàn)在某一特殊位置的概率，來捕捉到粒子的模糊圖像。在質(zhì)子隧穿的背景下，科學家可以計算出質(zhì)子在某個位置或者另一個位置的概率——理論上講，質(zhì)子存在于宇宙任何位置的概率都是非零的。

之前媒體曾報道稱，質(zhì)子隧穿意味著粒子可以穿過看似不應該通過的障礙，有時它們甚至可以跳躍障礙。

為了預測質(zhì)子在DNA中何時何處可能發(fā)生轉(zhuǎn)移，研究小組確定了粒子從“穩(wěn)定”位置斷裂至“不穩(wěn)定”位置所需的能量，該閾值就是所謂的“能量位壘”，而反彈至穩(wěn)定狀態(tài)所需的能量就是“反向拉壘”。

研究小組稱，與質(zhì)子隧穿相比，由熱量驅(qū)動的經(jīng)典質(zhì)子轉(zhuǎn)移的能量位壘非常高。預測的質(zhì)子隧穿率遠遠超過了經(jīng)典質(zhì)量轉(zhuǎn)移，如果不考慮隧穿率，質(zhì)子跳躍至另一個DNA堿基的概率將“非常非常接近零”。

在作者計算的限制范圍內(nèi)，隧穿似乎在一對堿基之間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程中起著中度至較大等級的作用。同時，研究小組還發(fā)現(xiàn)，A-T對之間質(zhì)子隧穿的反向位壘比G-C要低很多，這意味著，如果一個質(zhì)子從一對電子的A端隧穿至T端，它將立即返回，反向位壘的能量較低，從而使質(zhì)子很容易會彈出其穩(wěn)定。

斯洛康姆說：“然而對于G-C堿基對，它有相當大的反向位壘，這意味著該狀態(tài)在相當長的一段時間內(nèi)是比較穩(wěn)定的，因此，一旦某個質(zhì)子跳躍了G-C堿基對的位壘，它可能在一段時間內(nèi)保持不穩(wěn)定的位置，如果這發(fā)生在DNA復制開始之前，質(zhì)子可能會在DNA鏈的‘錯誤的一側(cè)?！?/p>

這是因為為了復制自己，DNA首先會展開，破壞堿基對之間的鍵，然后，一種叫做聚合酶的物質(zhì)會突然出現(xiàn)，將新的堿基裝入開口槽中，就像拼圖游戲一樣。然而，問題是當聚合酶在一個不穩(wěn)定位置遇到一個質(zhì)子時，它可能會選擇錯誤的“拼圖碎片”作為連接的堿基，例如：一個質(zhì)子可能跳躍到一個G堿基對，當聚合酶經(jīng)過的時候，聚合酶附著的是T堿基對，而不是C堿基對。

該項研究具有重要意義

依據(jù)教科書《基因分析導論》，生物學家詹姆斯·沃森和物理學家弗朗西斯·克里克首次發(fā)現(xiàn)了DNA復制中的這種錯誤，他們是最早進行DNA研究的專家，這項最新研究表明，質(zhì)子隧穿的作用——比熱力學作用更重要，可能是導致這些突變的原因。

因此在分裂過程之前，DNA存在一個脆弱時刻，此時量子效應具有重要意義。

選擇錯誤的“拼圖碎片”作為連接的堿基從而產(chǎn)生的點突變可能是無關緊要的，不會改變細胞的功能或者構(gòu)建蛋白質(zhì)的方式，但研究人員稱，它們也可能是毀滅性的，會導致鐮狀細胞性貧血等疾病和非小細胞肺癌等特定類型的癌癥，在某些情況下，點突變也可能是十分有益的。

盡管如此，科學家仍不知道一個質(zhì)子需要在不穩(wěn)定位置停留多長時間才能真正發(fā)生點突變，海伊指出，最新研究僅模擬DNA鏈的一小部分，為了深入了解質(zhì)子隧穿發(fā)生的頻率，必須模擬整個系統(tǒng)。

目前，斯洛康姆和同事致力于對堿基對周圍更大的環(huán)境進行建模，通過這種方式，他們可以理清量子物理學、經(jīng)典物理學與DNA之間的關系，如何通過不同的機制驅(qū)動質(zhì)子跳躍，該研究有助于揭曉什么條件下質(zhì)子轉(zhuǎn)移更容易發(fā)生，以及該現(xiàn)象觸發(fā)有害基因突變的頻率，這是一個至關重要的問題。