DNA复制的忠实性及其生物学意义

DNA复制具有高度忠实性（fidelity），其错配几率约为10的负10次方。从热力学上考虑，碱基发生错配的几率约为百分之一，酶对底物的选择作用和校正作用各使错配几率下降两个数量级，所以体外合成DNA的错配几率为百万分之一。体内复制叉的复杂结构提高了复制的准确性，修复系统又对错配加以纠正，进一步提高了复制的忠实性。

复制叉结构与复制的忠实性。Semin Cancer Biol. 2010

DNA复制中产生的错误首先由DNA聚合酶的校对活性进行纠正。不匹配的DNA链从聚合酶活性位点POL转移至3'→5'核酸外切酶活性位点（EXO），错配的碱基通过校对被切除。有3个真核DNA聚合酶具有校对活性：聚合酶δ、ε和γ。Polδ和ε用于核基因复制，而Polγ位于线粒体。

逃脱校对的错误主要通过错配修复（mismatch repair，MMR）系统进行纠正。这个过程发生在核小体重新装配之前，以尽量避免将错配包装到核小体中。在错配的核苷酸得到修复之前，某些MMR相关蛋白（如MSH6）可以抑制CAF-1介导的核小体装配。

MMR与核小体装配过程。Cell Biosci. 2020

人细胞中典型的MMR反应包括三个主要步骤。首先，错配识别蛋白MutSα（MSH2-MSH6异二聚体）或MutSβ（MSH2-MSH3异二聚体）识别错配。前者主要识别单碱基错配和一两个碱基的插入或缺失（IDL），后者主要用于识别较大的IDL。

MutS与错配部位结合后发生构象变化，形成可沿DNA运动的移动钳（mobile clamp）。移动钳募集MutLα蛋白，后者被复制体上的PCNA（滑动钳）激活，在错配位点两侧切割出切口，再由外切核酸酶EXO1将这一段大约数百碱基的核苷酸切除（也可由POLδ/ε从切口处引发链置换合成）。最后，由DNA聚合酶δ（滞后链）或ε（前导链）重新合成子链，DNA连接酶封闭缺口。

人体的错配修复（MMR）机制。DNA Repair (Amst). 2014

值得一提的是，由于接近复制体，核小体也尚未装配，所以此时可以轻易识别新生的子链（比如利用PCNA充当链识别信号），从而以亲代链为模板进行修复。当核小体装配完成之后，就很难分辨一对错配碱基中到底哪个正确了。

复制的忠实性对于生存与繁衍非常重要。忠实地复制不仅是物种稳定遗传的基础，也是个体生存的保障。对于寿命较长的多细胞生物，在个体生存期间会经历多次细胞分裂。如果复制的忠实性不足，就很容易积累突变，导致衰老和多种疾病。

根据最近的研究，人类干细胞中的突变大约以每年40个的速率稳定积累（Nature. 2016）。这些突变中的一部分可能是在跨损伤合成（TLS）时产生的。TLS能够使细胞有效完成有损伤模板的复制，从而避免死亡，但其忠实性较低，所以也给机体埋下了隐患。这方面的研究是目前的热点之一。

有一种理论认为，体细胞突变的积累是衰老的原因。突变会干扰基因的正确表达，影响细胞功能。在早期，由于生物体具有一些冗余结构，所以突变不会立即导致衰老。但当一个细胞的遗传冗余（以二倍体形式）耗尽，其功能即无法正常发挥；当机体的细胞冗余耗尽，就会迅速衰老。

一种体细胞突变导致衰老的模型。Exp Gerontol. 2017

突变的积累也与肿瘤的发生和发展密切相关。研究表明，肿瘤具有显著的遗传不稳定性，而且表现在三个不同的层次上：染色体不稳定（CIN）涉及多种染色体畸变（易位、缺失、基因重复、三体或缺体等），微卫星不稳定（MSI或MIN）涉及短串联重复序列（微卫星序列）的扩增或减少，点突变不稳定（PIN）涉及核苷酸序列的改变（碱基取代、缺失、插入等）。

这些遗传不稳定的产生和修复机制，比如各种DNA聚合酶的特性与突变、TLS与肿瘤发展等，都是目前肿瘤研究的热点领域。

跨损伤合成相关蛋白的染色体定位及相关疾病。Genet Mol Biol. 2014

另一方面，突变也是遗传多样性和生物进化的来源，所以复制的忠实性也不是越高越好。有些生物就是以高突变率和庞大种群作为生存和进化的基本策略，使其能够迅速适应新的环境。RNA病毒是此类的典型代表。

与DNA复制相比，RNA复制的保真度要低得多。催化RNA复制的酶（RdRp）很容易出错，几率大约为万分之一，与其基因组大致相当。所以RNA病毒每轮基因组复制大约会产生一个突变。

七种代表性RdRp的结构。Front Microbiol. 2019

由于RNA病毒种群庞大，所以在宿主感染期间会产生大量紧密相关的病毒变体。这些突变多数是不利的，但偶尔出现的有利突变会迅速被筛选出来，并快速扩散。这使病毒能够快速适应新的生存环境（如更换宿主、逃避宿主免疫系统、产生抗药性等）。正是由于这种机制，流感病毒等每年都会产生新的突变株，大约每十年会由于出现一种重大突变而引起一次大流行。

除类病毒外，RNA病毒是突变率最高的已知物种。有研究认为RNA病毒已经处于复制忠实性阈值的边缘，突变负担的任何增加都将导致病毒种群的灭绝。当用诱变剂如核苷类似物等处理后，这些病毒数量就会急剧下降（Viruses. 2018）。

参考文献：

1. Bradley D Preston, et al. DNA replication fidelity and cancer. Semin Cancer Biol. 2010 Oct;20(5):281-93.

2. Yaping Huang, et al. DNA mismatch repair in the context of chromatin. Cell Biosci. 2020 Feb 3;10:10.

3. Dorothy A Erie, et al. Single molecule studies of DNA mismatch repair. DNA Repair (Amst). 2014 Aug; 20:71-81.

4. Francis Blokzijl, et al. Tissue-specific mutation accumulation in human adult stem cells during life. Nature. 2016 Oct 13;538(7624):260-264.

5. Brandon Milholland, et al. Mutation and catastrophe in the aging genome. Exp Gerontol. 2017 Aug; 94:34-40.

6. Carlos Fm Menck, et al. DNA repair diseases: What do they tell us about cancer and aging? Genet Mol Biol. 2014 Mar;37(1 Suppl):220-33.

7. Hengxia Jia, et al. A Structure-Function Diversity Survey of the RNA-Dependent RNA Polymerases From the Positive-Strand RNA Viruses. Front Microbiol. 2019 Aug 22;10:1945.

8. Tiffany F Kautz, et al. RNA Virus Fidelity Mutants: A Useful Tool for Evolutionary Biology or a Complex Challenge? Viruses. 2018 Nov 1;10(11):600.