2021 年 2 月 23 日,北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、生命科學(xué)聯(lián)合中心孔道春實(shí)驗(yàn)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(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,解決了真核細(xì)胞DNA同源重組領(lǐng)域里一個(gè)長(zhǎng)期懸而未決的核心問(wèn)題,并推動(dòng)DNA同源重組事件分子機(jī)制的理解到一個(gè)新的層次。
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。
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(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。
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 Biology?7: 739-750.
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,研究者不認(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,研究者認(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。
本研究中,孔道春實(shí)驗(yàn)室發(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
北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、生命科學(xué)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(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),和北大生科院紀(jì)建國(guó)教授也做了重要貢獻(xiàn),孔道春實(shí)驗(yàn)室其他成員對(duì)本論文也提供了幫助。
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