生命是一連串長期而持續的累積
遺傳物質 DNA 的存在提供生命延續的根本，不僅是能被轉錄轉譯成具備生理功能的蛋白質，更將遺傳訊息留給下一代，在時間的洪流當中保有基因組的穩定性。
在歷史的洪流當中，人類也逐步揭露 DNA 複製的機制並加以應用。從 1950 年代華生（James Watson）與克里克（Francis Crick）的鹼基配對模型與半保留複製（semi-preserved replication）的提出 [1]，我們開始了解這神秘的遺傳物質是如何被穩定傳遞。1970 年代，哈特威爾（Leland Hartwell）、納斯（Paul Nurse）和漢特（Timothy Hunt）提出檢查點（checkpoint）的概念 [2]，讓我們了解即將進行 DNA 複製前，細胞會先經過嚴密檢查以防止錯誤的發生。1980 年代後，表觀遺傳學（epigenetics）的研究相繼盛出 [3] [4]，人們發現能夠在不涉及核苷酸序列改變的前提下，引發穩定且具遺傳性的基因表達變化，解釋了孟德爾法則無法闡述的問題。隨著 DNA 複製基礎機制的闡明，聚合酶連鎖反應（polymerase chain reaction, PCR）技術於 1980 年代問世，科學家們從「發現」走向「應用」，在實驗室中就能快速的複製特定 DNA 序列，大幅裨益生醫研究與疾病檢測。
當複製走向瘋狂時
人體內的細胞需要不斷地進行分裂與再生，DNA 頻繁複製的同時也需要維持基因體穩定度。我們報導了有關複製起始（DNA replication initiation）的調控，由 DNA 解旋酶（DNA helicase）——微小染色體維持蛋白（minichromosome maintenance protein，MCM 蛋白）所啟動的複製程序、以及對於複製速度的掌控 [5]，有關何時啟動複製時機的研究也相繼提出，如：在酵母菌當中 Rif1 蛋白可以藉由影響複製起始位點鄰近的蛋白磷酸化過程，進而調控基因組的複製時機 [6]。當遭遇 DNA 複製壓力（DNA replication stress）時，除了有甲基轉移酶以表觀遺傳學的機制進行調控與保護，使複製叉（replication fork）停滯轉變成反轉複製叉（reversed fork）的結構，助於後續的 DNA 修復與複製重啟 [7] [8]，還有調節蛋白（regulatory proteins）作為哨兵，能確保細胞順利通過複製檢查點 [9]。當錯誤發生時，細胞也有相對應的修補機制（DNA repair mechanisms）[10] [11]，針對錯誤的嚴重程度選擇走向修補或是細胞凋亡，為生命提供化學穩定。
即使具備如此精密的調控與檢查步驟，這些保護機制仍有可能異常而導致疾病，包含複製起始的混亂、檢查點的異常、抑或修補機制的缺失。面對走向瘋狂的複製，科學家們又能做些甚麼？
圖一、當複製叉在 DNA 上的行進受到阻滯時，便會產生複製壓力。細胞內生性的複製壓力包含：可能造成轉錄─複製衝突的 RNA 聚合酶與 R-loops、DNA 二級結構、異染色質與蛋白質障礙等。細胞中則會利用檢查點激酶與染色質調節等方式，防止複製叉崩塌並啟動相關的修復機制。
圖片來源：https://doi.org/10.1016/j.gde.2021.08.004
複製也是創新之路
Good artists copy, great artists steal. – Pablo Picasso
畢卡索曾說：「傑出的藝術家模仿，偉大的藝術家盜竊，重點是你是否能夠創造出更高的價值。」當科學家們試圖探究 DNA 複製的奧妙，是否能從中盜竊出秘辛、為現代醫學做出貢獻？
藉由了解複製的程序、探究複製不穩定的成因，有助於發展相對應的標靶藥物、抑或開發疾病篩查的方法，如針對細胞週期調控蛋白 Cdk 開發的抑制劑能有效阻止肺癌細胞增生 [12]，藉由表現 DNA 修復機制的蛋白亦能有效增強標靶藥物療效 [13]。甚至，如果能掌控讓 DNA 複製叉更為穩定，是否在未來有機會延長人類的壽命？值得我們深思。
以DNA複製為主軸的研究由單純發現走向臨床應用，無論是更詳細的機制探討、針對精準醫療的診斷與治療用途，我們都將拭目以待。
圖二、由穿透式電子顯微鏡拍攝中國倉鼠卵巢的上皮細胞（CHO cell）的 DNA，箭頭指出 DNA 複製之處。
圖片來源： Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings PowerPoint Lectures for Biology, Seventh Edition Neil Campbell and Jane Reece Lectures by Chris Romero
參考文獻：
[1] Bell, S. P., & Dutta, A. (2002). DNA replication in eukaryotic cells. Annual review of biochemistry, 71, 333–374. doi:10.1146/annurev.biochem.71.110601.135425
[2] Kastan, Michael B.; Bartek, Jiri (2004). Cell-cycle checkpoints and cancer. , 432(7015), 316–323. doi:10.1038/nature03097
[3] 表觀遺傳學遠超過我們的想像
[4] 表觀遺傳學
[5] 多功能的 MCM 蛋白：不只啟動 DNA 複製，更可控制複製速度
[6] Rif1與G-四聯體：DNA複製的時間管理者
[7] 軌跡交錯時：H3K4 甲基化修飾如何緩解轉錄─複製衝突
[8] 精氨酸甲基轉移酶在DNA複製叉上的快思慢想
[9] DNA複製哨兵：Cdc7與CK1γ1共同調控Claspin並守護DNA複製
[10] 人類神經細胞的DNA修復位置
[11] Sancar, A., Lindsey-Boltz, L. A., Unsal-Kaçmaz, K., & Linn, S. (2004). Molecular mechanisms of mammalian DNA repair and the DNA damage checkpoints. Annual review of biochemistry, 73, 39–85. doi:10.1146/annurev.biochem.73.011303.073723
[12] 小細胞肺癌治療新曙光：CDK7 抑制劑於細胞週期與免疫反應的角色
[13] 克服PARP抑制劑抗藥性的曙光？ALC1蛋白與染色質重塑
關鍵字：DNA replication 主題月、DNA replication stress、DNA repair、Targeted therapy、回顧月、2021 回顧
撰文｜陳祈瀅
審稿｜黃云宣、陳品萱
