典型生物分子机器之DNA Polymerase

DNA 聚合酶（DNA polymerase）司职DNA 复制，是细胞中最重要的信息分子机器。它不仅是分子生物学和生物物理学研究的重要对象，并且已经有多种DNAP 广泛应用在DNA 体外扩增（PCR 技术）、单分子测序、生物计算机等方面，具有极大的应用潜力。作为遗传信息的复制者和守护者，DNA聚合酶不仅要快速合成新生DNA，而且要确保复制出错率尽可能低（高保真）。为此，DNA聚合酶进化出了专门的“校验”位点来减小复制差错率。综合最近的实验数据，我们最近对DNA聚合酶提出了一个完整的“聚合-校验”动力学理论模型，进行了详细的模拟和解析计算，结果表明DNA聚合酶可以高效地利用高阶末端近邻效应来完成校验。本工作分为两部分。第一部分按照生物化学家的惯例，忽略复制模板DNA序列的特异性，将复制过程近似简化为配对（R）-误配（W）的稳态共聚过程，建立相关的动力学主方程并提出了一种解析计算的方法，对复制保真度给出了简明直观的解析表达式。相关文献：J.Phys.: Condens.Matter, 27(23):235105 (2015)；J.Phys.: Condens.Matter 29:025101(2017)  [本文被该杂志选为2017年年度亮点工作，http://iopscience.iop.org/journal/0953-8984/page/Highlights-2017] 。第二部分工作则最大程度上考虑了模板序列的特异性以及相应的复制过程的非稳态特性，建立了基于首达过程概念的一种解析计算方法，对任意模板位置处的局域保真度和复制速度都给出近似的解析表达式，与前述稳态分析的结果一致。这个分析方法适用于任意DNA模板序列，且能够推广到RNA合成（基因转录）等其它过程，因此具有极大的普适性。相关文献：Template-specific fidelity of DNA replication with high-order neighbor effects: A first-passage approach， Phys. Rev. E, 2019, 100, 012131.
我们的研究也否定了生物学家长期持有的一个观念，即，保真度的提升必须以牺牲速度为代价。我们的解析结论表明，在不减小总体复制速度（甚至速度略有提升）的情况下，保真度可大大提高。这个结论有一定的普适性，也是对高阶模型的一个支持。