孔道春實(shí)驗(yàn)室揭示DNA同源重組的關(guān)鍵機(jī)制
2021年2月23日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院孔道春實(shí)驗(yàn)室在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊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(guò)程的一個(gè)必需中間體—RNA-DNA hybrid，及一個(gè)必需因子—RNA聚合酶III。
圖2.同源重組的一般過(guò)程 Sung P, Klein H (2006). “Mechanism of homologous recombination: mediators and helicases take on regulatory functions”. Nature Reviews Molecular Cell Biology7: 739-750.
作為三大DNA代謝途徑（DNA復(fù)制、重組、損傷修復(fù)）之一，DNA同源重組（Homologous Recombination）是生命體的基本生物事件。它在細(xì)胞生長(zhǎng)、減數(shù)分裂、配子形成、物種進(jìn)化、DNA雙鏈斷裂修復(fù)、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(guò)DNA同源重組進(jìn)行遺傳信息交換，以促進(jìn)生命體進(jìn)化。
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(duì)DNA雙鏈斷裂（DNA double-strand break, DSB）處進(jìn)行5′-鏈降解，切除大約幾千個(gè)核苷酸，導(dǎo)致3′-單鏈DNA形成；2）3′-單鏈DNA入侵同源DNA模板鏈（strand invasion）：通過(guò)多個(gè)蛋白幫助，Rad51包裹3′-單鏈DNA形成核酸-蛋白復(fù)合體，該復(fù)合體侵入同源DNA鏈，3′-單鏈DNA作為引物進(jìn)行DNA合成；3）解開(kāi)Holliday Junction （HJ）結(jié)構(gòu)（resolution of Holliday Junction）：3′-單鏈DNA侵入同源DNA模板鏈后，隨后進(jìn)行的DNA合成及鏈交換反應(yīng)，導(dǎo)致HJ結(jié)構(gòu)形成，相關(guān)核酸酶解開(kāi)HJ結(jié)構(gòu)，并最終完成DNA同源重組過(guò)程。
DNA同源重組領(lǐng)域，有一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題一直等待闡明：即細(xì)胞是如何進(jìn)行末端切除5’-鏈的幾千個(gè)核苷酸，但又保證3’-鏈的絕對(duì)完整。過(guò)去二三十年，一個(gè)普遍被認(rèn)可或接受的觀點(diǎn)是：3′-單鏈?zhǔn)峭ㄟ^(guò)RPA（replication protein A，a single-strand DNA binding complex）的結(jié)合來(lái)保護(hù)的。但是，此觀點(diǎn)缺乏確切的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。再進(jìn)一步考慮，用蛋白結(jié)合的方式來(lái)保護(hù)幾千個(gè)核苷酸長(zhǎng)度的單鏈DNA，避免被核酸酶攻擊，從理論上講，這個(gè)可能性非常小，理由有三個(gè)：1）細(xì)胞如何能做到蛋白結(jié)合能早于核酸酶攻擊；2）細(xì)胞如何能做到幾千個(gè)核苷酸長(zhǎng)度的每一個(gè)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(jié)合到DNA不可能是恒定的，有結(jié)合-脫離-再結(jié)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(jī)會(huì)。具體到此生物事件，我們不認(rèn)為細(xì)胞能做到第一和第二點(diǎn)，第三點(diǎn)是客觀現(xiàn)實(shí)存在。因此，我們認(rèn)為細(xì)胞必定用其它機(jī)制來(lái)保護(hù)DNA斷裂處的3′-單鏈DNA。
我們發(fā)現(xiàn)3′-單鏈DNA是通過(guò)形成暫時(shí)的RNA-DNA雜交鏈來(lái)得到保護(hù)，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(gè)必需因子，RNA-DNA雜交鏈?zhǔn)荄NA同源重組事件的一個(gè)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(jìn)真核細(xì)胞DNA同源重組領(lǐng)域里一系列長(zhǎng)期懸而未決的問(wèn)題的解決，并推進(jìn)DNA同源重組事件分子機(jī)制的理解到一個(gè)新的層次；同時(shí)，將促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的開(kāi)發(fā)，包括疾病的基因治療、動(dòng)植物新物種的開(kāi)發(fā)、抗癌藥物的研發(fā)等。
圖3. 新的DNA同源重組模型
孔道春教授為該論文的通訊作者。劉思杰博士、華余博士、王靜娜博士、以及孔道春實(shí)驗(yàn)室技術(shù)員李凌彥為該論文的共同第一作者。袁俊杰、張波、王子陽(yáng)、紀(jì)建國(guó)教授也作了重要貢獻(xiàn)，感謝實(shí)驗(yàn)室所有成員的幫助。本工作得到了北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、蛋白質(zhì)與植物基因研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及生命科學(xué)學(xué)院儀器中心（成像平臺(tái)）的大力支持，在此，表示衷心感謝。
來(lái)源：北京大學(xué)
