Cell 亮點| 孔道春實驗室突破性揭示 DNA 同源重組的關鍵機制
2021 年 2 月 23 日，北京大學生命科學學院、生命科學聯(lián)合中心孔道春實驗室在Cell在線發(fā)表了題為RNA polymerase III is required for the repair of DNA double-strand breaks by homologous recombination?的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)了DNA同源重組過程的一個必需中間體—RNA-DNA hybrid，及一個必需因子—RNA 聚合酶III，解決了真核細胞DNA同源重組領域里一個長期懸而未決的核心問題，并推動DNA同源重組事件分子機制的理解到一個新的層次。
作為三大DNA代謝途徑（DNA 復制、重組、損傷修復）之一，DNA同源重組（Homologous Recombination）是生命體的基本生物事件。它在細胞生長、減數(shù)分裂、配子形成、物種進化、DNA雙鏈斷裂修復、基因組穩(wěn)定性維持等多方面，起著必需作用。如圖1 顯示，兩條相似但不完全一致的同源染色體通過DNA同源重組進行遺傳信息交換，以促進生命體進化。
圖1. 減數(shù)分裂期姐妹染色體重組
https://en.wikipedia.org/wiki/Homologous_recombinati on#/media/File:HR_in_meiosis.svg
DNA同源重組由三大主要步驟組成（圖2）：1）鏈末端切除?(end resection)：MRN-CtIP、DNA2、EXO1等核酸酶對DNA雙鏈斷裂（DNA double-strand break, DSB）處進行5’-鏈降解，切除大約幾千個核苷酸，導致3’-單鏈DNA形成；2）3’-單鏈DNA入侵同源DNA模板鏈(strand invasion)：通過多個蛋白幫助，Rad51包裹 3’-單鏈DNA形成核酸-蛋白復合體，該復合體侵入同源DNA鏈, 3’-單鏈DNA作為引物進行DNA合成；3)?解開Holliday Junction(HJ)結構（resolution of Holliday Junction）：3’-單鏈 DNA 侵入同源DNA模板鏈后，隨后進行的DNA合成及鏈交換反應，導致HJ結構形成，相關核酸酶解開HJ結構，并最終完成DNA同源重組過程。
圖2. 同源重組的一般過程
Sung P, Klein H (2006). "Mechanism of homologous recombination: mediators and helicases take on regulatory functions".?Nature Reviews?Molecular Cell Biology?7: 739-750.
DNA同源重組領域，有一個關鍵問題一直等待闡明：即細胞是如何進行末端切除 5’-鏈的幾千個核苷酸，但又保證 3’-鏈的絕對完整。過去二三十年，一個普遍被認可或接受的觀點是：3’ -單鏈是通過RPA（replication protein A，a single- strand DNA binding complex）的結合來保護的。但是，此觀點缺乏確切的實驗證據(jù)。再進一步考慮，用蛋白結合的方式來保護幾千個核苷酸長度的單鏈DNA，避免被核酸酶攻擊，從理論上講，這個可能性非常小，理由有三個：1）細胞如何能做到蛋白結合能早于核酸酶攻擊；2）細胞如何能做到幾千個核苷酸長度的每一個核苷酸都被蛋白覆蓋而不留任何被核酸酶攻擊的空隙；3）蛋白結合到DNA不可能是恒定的，有結合-脫離-再結合事件發(fā)生，蛋白一旦脫離DNA, ?核酸酶就得到了攻擊DNA的機會。具體到此生物事件，研究者不認為細胞能做到第一和第二點，第三點是客觀現(xiàn)實存在。因此，研究者認為細胞必定用其它機制來保護DNA斷裂處的3’-單鏈DNA。
本研究中，孔道春實驗室發(fā)現(xiàn)3’-單鏈DNA是通過形成暫時的RNA-DNA雜交鏈來得到保護，催化此RNA鏈合成的是RNA聚合酶 III。如果阻止此處RNA合成，則DNA同源重組終止，并造成基因缺失。因此，RNA 聚合酶III是同源重組的一個必需因子，RNA-DNA雜交鏈是DNA同源重組事件的一個必需中間體。圖3是DNA同源重組的最新模型。RNA-DNA雜交鏈中間體的發(fā)現(xiàn)將推進真核細胞DNA同源重組領域里一系列長期懸而未決的問題的解決，并推進DNA同源重組事件分子機制的理解到一個新的層次；同時，將促進相關技術的開發(fā)， 包括疾病的基因治療、動植物物種的開發(fā)、抗癌藥物的研發(fā)等。
圖3. 新的 DNA 同源重組模型
北京大學生命科學學院、生命科學聯(lián)合中心孔道春教授為該論文的通訊作者。劉思杰博士、華余博士、王靜娜副教授、以及孔道春實驗室技術員李凌彥為該論文的共同第一作者。袁俊杰、張波、王子陽，和北大生科院紀建國教授也做了重要貢獻，孔道春實驗室其他成員對本論文也提供了幫助。
原文鏈接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00091-X
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