■本報記者 張雙虎

“就像非洲大草原上角馬過河時會(hui) 受到鱷魚攻擊一樣，生命體(ti) 遺傳(chuan) 物質——DNA核苷酸長鏈經常受到各種物理、化學或生物性（核酸酶、DNA複製叉垮塌等）因子攻擊，導致DNA斷裂。”北京大學生命科學學院教授孔道春對《中國科學報》說，“DNA同源重組是生命體(ti) 的必須過程，是修複DNA斷裂的主要途徑。細胞的DNA同源重組功能缺陷會(hui) 導致基因缺失，使人類麵臨(lin) 各類疾病。”

日前，《細胞》在線發表了孔道春課題組研究成果，他們(men) 發現了一個(ge) DNA同源重組過程必需的中間體(ti) ——RNA-DNA hybrid，及一個(ge) 必需因子——RNA聚合酶III。該研究揭示了DNA同源重組的關(guan) 鍵機製，進一步的研究將“有望極大推進癌症治療等問題的解決(jue) 。”

未解謎題

DNA同源重組是一個(ge) 基本生物事件，它在細胞生長、減數分裂、配子形成等多方麵起著重要作用。

“如果沒有這一過程，或是重組過程中出現問題，就不會(hui) 形成精子、卵子、花粉、配子等，高等生命體(ti) 的傳(chuan) 承會(hui) 出現極大問題。” 孔道春說，“同源重組也是DNA雙鏈斷裂修複的兩(liang) 大途徑之一。如果斷鏈不能修複，細胞可能會(hui) 死掉，即使它在某些條件下能重新接起來，也會(hui) 導致基因改變、缺失、不穩定，從(cong) 而引發各類疾病。”

“DNA雙鏈斷裂是引發癌症的一個(ge) 重要原因。” 該論文共同第一作者劉思傑告訴《中國科學報》，“30年前人們(men) 就發現，如果兩(liang) 個(ge) 基因（BRCA1、BRCA2）出現問題，80%的女性40歲後，會(hui) 患乳腺癌、卵巢癌。”

DNA同源重組由三大步驟組成：一是相關(guan) 核酸酶對DNA雙鏈斷裂處進行5’—鏈降解，切除數千個(ge) 核苷酸，導致3’—單鏈DNA形成。二是3’—單鏈DNA入侵同源DNA模板鏈，並作為(wei) 引物進行DNA合成及鏈交換反應，導致Holliday Junction （HJ）結構形成。三是相關(guan) 核酸酶解開HJ結構，並最終完成DNA同源重組過程。

在DNA同源重組領域，有個(ge) 關(guan) 鍵問題一直“搞不定”，即細胞是如何切除末端5’—鏈的幾千個(ge) 核苷酸，同時又保證3’—單鏈絕對完整的。

“過去幾十年，一個(ge) 被普遍接受的觀點是：3’—單鏈是通過RPA蛋白的結合得到保護的。”孔道春說，“但此觀點缺乏確切的實驗證據。”

發現“中間體(ti) ”

孔道春認為(wei) ，用蛋白結合的方式來保護幾千個(ge) 核苷酸長度的單鏈DNA不受核酸酶攻擊，“從(cong) 理論上說可能性非常小”。

“蛋白與(yu) 3’—單鏈的結合無法早於(yu) 核酸酶攻擊，幾千個(ge) 核苷酸長度上，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，蛋白結合到DNA上並不恒定，存在‘結合—脫離—再結合’的可能。一旦蛋白脫離DNA, 核酸酶就有機會(hui) 攻擊DNA。”孔道春說，因此，細胞必定有其他機製保護DNA斷裂處的3’—單鏈DNA。

“我們(men) 發現3’—單鏈DNA是通過形成暫時的RNA-DNA雜交鏈得到保護的，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，並造成基因缺失。”劉思傑說。

該課題組發現，RNA聚合酶III是同源重組的一個(ge) 必需因子，RNA-DNA雜交鏈是DNA同源重組事件的一個(ge) 必需中間體(ti) 。

“這個(ge) 中間體(ti) 一旦被發現，一係列問題將迎刃而解。”孔道春解釋說，RNA-DNA雜交鏈中間體(ti) 的發現，能推進真核細胞DNA同源重組領域的發展，將人們(men) 對DNA同源重組事件分子機製的理解推到一個(ge) 新層次。

揭示關(guan) 鍵機製

人類一直在與(yu) 各類疾病鬥爭(zheng) ，目前全球有上千個(ge) 實驗室在進行DNA重組與(yu) 雙鏈DNA斷裂修複方麵的研究。但遺憾的是，“純機製”方麵的研究是塊“硬骨頭”，人們(men) 對其認識不足，在一些重大疾病和某些先天缺陷疾病治療方麵，手段依然有限。

“一旦搞清DNA同源重組的機製，就可以知道很多疾病到底是怎麽(me) 產(chan) 生的，也能對疾病治療和藥物開發起到重要推動作用。”孔道春說，科學家在BRCA1/2基因研究中發現，將一種酶（PARP）抑製掉後，乳腺癌、卵巢癌細胞很容易被殺死，利用該機理研製的新藥已經上市。

“我們(men) 做基礎研究，就是想把DNA同源重組、修複雙鏈斷裂的機製搞清楚。一旦機製清楚了，人們(men) 就可以找到很多疾病治療的靶點，並針對靶點研發特效藥。”孔道春說，“研究表明，大約50%~96%的各類癌症由P53蛋白缺失或功能缺陷引起，如果把P53的作用機製弄清，會(hui) 將癌症治療提高一個(ge) 層次，使癌症可以被治愈或成為(wei) 一種慢性病，從(cong) 根本上解決(jue) 癌症治療等方麵的問題。”

孔道春表示，該研究將促進相關(guan) 技術開發，包括疾病的基因治療、物種開發、抗癌藥物研發等，下一步團隊將開展藥物篩選研究。

相關(guan) 論文信息：

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