■本報(bào)記者 張雙虎

“就像非洲大草原上角馬過河時(shí)會(huì)受到鱷魚攻擊一樣，生命體遺傳物質(zhì)——DNA核苷酸長(zhǎng)鏈經(jīng)常受到各種物理、化學(xué)或生物性（核酸酶、DNA復(fù)制叉垮塌等）因子攻擊，導(dǎo)致DNA斷裂?！北本┐髮W(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授孔道春對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說，“DNA同源重組是生命體的必須過程，是修復(fù)DNA斷裂的主要途徑。細(xì)胞的DNA同源重組功能缺陷會(huì)導(dǎo)致基因缺失，使人類面臨各類疾病?！?/p>

日前，《細(xì)胞》在線發(fā)表了孔道春課題組研究成果，他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)DNA同源重組過程必需的中間體——RNA-DNA hybrid，及一個(gè)必需因子——RNA聚合酶III。該研究揭示了DNA同源重組的關(guān)鍵機(jī)制，進(jìn)一步的研究將“有望極大推進(jìn)癌癥治療等問題的解決?！?/p>

未解謎題

DNA同源重組是一個(gè)基本生物事件，它在細(xì)胞生長(zhǎng)、減數(shù)分裂、配子形成等多方面起著重要作用。

“如果沒有這一過程，或是重組過程中出現(xiàn)問題，就不會(huì)形成精子、卵子、花粉、配子等，高等生命體的傳承會(huì)出現(xiàn)極大問題?！?孔道春說，“同源重組也是DNA雙鏈斷裂修復(fù)的兩大途徑之一。如果斷鏈不能修復(fù)，細(xì)胞可能會(huì)死掉，即使它在某些條件下能重新接起來，也會(huì)導(dǎo)致基因改變、缺失、不穩(wěn)定，從而引發(fā)各類疾病?！?/p>

“DNA雙鏈斷裂是引發(fā)癌癥的一個(gè)重要原因?！?該論文共同第一作者劉思杰告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“30年前人們就發(fā)現(xiàn)，如果兩個(gè)基因（BRCA1、BRCA2）出現(xiàn)問題，80%的女性40歲后，會(huì)患乳腺癌、卵巢癌?！?/p>

DNA同源重組由三大步驟組成：一是相關(guān)核酸酶對(duì)DNA雙鏈斷裂處進(jìn)行5’—鏈降解，切除數(shù)千個(gè)核苷酸，導(dǎo)致3’—單鏈DNA形成。二是3’—單鏈DNA入侵同源DNA模板鏈，并作為引物進(jìn)行DNA合成及鏈交換反應(yīng)，導(dǎo)致Holliday Junction （HJ）結(jié)構(gòu)形成。三是相關(guān)核酸酶解開HJ結(jié)構(gòu)，并最終完成DNA同源重組過程。

在DNA同源重組領(lǐng)域，有個(gè)關(guān)鍵問題一直“搞不定”，即細(xì)胞是如何切除末端5’—鏈的幾千個(gè)核苷酸，同時(shí)又保證3’—單鏈絕對(duì)完整的。

“過去幾十年，一個(gè)被普遍接受的觀點(diǎn)是：3’—單鏈?zhǔn)峭ㄟ^RPA蛋白的結(jié)合得到保護(hù)的?！笨椎来赫f，“但此觀點(diǎn)缺乏確切的實(shí)驗(yàn)證據(jù)?！?/p>

發(fā)現(xiàn)“中間體”

孔道春認(rèn)為，用蛋白結(jié)合的方式來保護(hù)幾千個(gè)核苷酸長(zhǎng)度的單鏈DNA不受核酸酶攻擊，“從理論上說可能性非常小”。

“蛋白與3’—單鏈的結(jié)合無(wú)法早于核酸酶攻擊，幾千個(gè)核苷酸長(zhǎng)度上，核苷酸難以被蛋白完全覆蓋而不留任何被攻擊的空隙。客觀上，蛋白結(jié)合到DNA上并不恒定，存在‘結(jié)合—脫離—再結(jié)合’的可能。一旦蛋白脫離DNA, 核酸酶就有機(jī)會(huì)攻擊DNA。”孔道春說，因此，細(xì)胞必定有其他機(jī)制保護(hù)DNA斷裂處的3’—單鏈DNA。

“我們發(fā)現(xiàn)3’—單鏈DNA是通過形成暫時(shí)的RNA-DNA雜交鏈得到保護(hù)的，RNA聚合酶III催化了RNA鏈的合成。如果阻止此處RNA合成，則DNA同源重組終止，并造成基因缺失?！眲⑺冀苷f。

該課題組發(fā)現(xiàn)，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。

“這個(gè)中間體一旦被發(fā)現(xiàn)，一系列問題將迎刃而解?！笨椎来航忉屨f，RNA-DNA雜交鏈中間體的發(fā)現(xiàn)，能推進(jìn)真核細(xì)胞DNA同源重組領(lǐng)域的發(fā)展，將人們對(duì)DNA同源重組事件分子機(jī)制的理解推到一個(gè)新層次。

揭示關(guān)鍵機(jī)制

人類一直在與各類疾病斗爭(zhēng)，目前全球有上千個(gè)實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行DNA重組與雙鏈DNA斷裂修復(fù)方面的研究。但遺憾的是，“純機(jī)制”方面的研究是塊“硬骨頭”，人們對(duì)其認(rèn)識(shí)不足，在一些重大疾病和某些先天缺陷疾病治療方面，手段依然有限。

“一旦搞清DNA同源重組的機(jī)制，就可以知道很多疾病到底是怎么產(chǎn)生的，也能對(duì)疾病治療和藥物開發(fā)起到重要推動(dòng)作用。”孔道春說，科學(xué)家在BRCA1/2基因研究中發(fā)現(xiàn)，將一種酶（PARP）抑制掉后，乳腺癌、卵巢癌細(xì)胞很容易被殺死，利用該機(jī)理研制的新藥已經(jīng)上市。

“我們做基礎(chǔ)研究，就是想把DNA同源重組、修復(fù)雙鏈斷裂的機(jī)制搞清楚。一旦機(jī)制清楚了，人們就可以找到很多疾病治療的靶點(diǎn)，并針對(duì)靶點(diǎn)研發(fā)特效藥?！笨椎来赫f，“研究表明，大約50%~96%的各類癌癥由P53蛋白缺失或功能缺陷引起，如果把P53的作用機(jī)制弄清，會(huì)將癌癥治療提高一個(gè)層次，使癌癥可以被治愈或成為一種慢性病，從根本上解決癌癥治療等方面的問題?！?/p>

孔道春表示，該研究將促進(jìn)相關(guān)技術(shù)開發(fā)，包括疾病的基因治療、物種開發(fā)、抗癌藥物研發(fā)等，下一步團(tuán)隊(duì)將開展藥物篩選研究。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.01.048