撐開生命體遺傳物質的“保護傘”

“就像非洲大草原上角馬過河時，會受到鱷魚攻擊一樣，生命體遺傳物質——DNA核苷酸長鏈經常受到各種物理、化學、或生物性（核酸酶、DNA復制叉垮塌等）因子攻擊，導致DNA斷裂。”北京大學生命科學學院教授孔道春說，“DNA同源重組是生命體的必須過程，是修復DNA斷裂的主要途徑。如果細胞的DNA同源重組功能缺陷，則會導致基因缺失，人類就可能面臨各類疾病。”

日前，孔道春課題組發表的論文，發現一個DNA同源重組過程必需的中間體——RNA-DNA hybrid，及一個必需因子——RNA聚合酶Ⅲ。該研究揭示了DNA同源重組的關鍵機制，進一步的研究將“有望極大推進解決癌癥治療等方面的問題”。

未解謎題

DNA同源重組是個基本生物事件，是生命體的必須過程。它在細胞生長、減數分裂、配子形成、物種進化、DNA雙鏈斷裂修復、基因組穩定性維持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問題，就不會形成精子、卵子、花粉、配子等，高等生命體的傳承會出現極大問題。”孔道春說，“同源重組也是DNA雙鏈斷裂修復的兩大途徑之一。如果斷鏈不能修復，細胞可能會死掉，即使它在某些條件下能重新接起來，也會導致基因改變、缺失、不穩定，從而引發各類疾病。”

“DNA雙鏈斷裂是引發癌癥的一個重要原因。”該論文共同第一作者劉思杰博士說，“30年前人們就發現，如果兩個基因（BRCA1、BRCA 2）出現問題，80%的女士40歲后，會患乳腺癌、卵巢癌。”

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

在DNA同源重組領域，有個關鍵問題一直“搞不定”：細胞是如何切除末端5-鏈的幾千個核苷酸，同時又保證3-鏈的絕對完整。

“過去幾十年，一個被普遍接受的觀點是：3-單鏈是通過RPA蛋白的結合來保護的。”孔道春說，“但此觀點缺乏確切的實驗證據。”

發現“中間體”

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

“蛋白與3-單鏈的結合無法早于核酸酶攻擊，幾千個核苷酸長度上，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上并不恒定，存在‘結合-脫離-再結合的可能。一旦蛋白脫離DNA，核酸酶就有機會攻擊DNA。”孔道春說，“因此，細胞必定有其他機制來保護DNA斷裂處的3-單鏈DNA。”

“我們發現3-單鏈DNA是通過形成暫時的RNA-DNA雜交鏈得到保護，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。”劉思杰說。

該課題組發現，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。

“這個中間體一旦被發現，一系列問題將迎刃而解。”孔道春解釋說，“RNA-DNA雜交鏈中間體的發現，能推進真核細胞DNA同源重組領域的發展，將人們對DNA同源重組事件分子機制的理解推到一個新層次。”

揭示關鍵機制

人類一直在與各類疾病斗爭，目前全球有上千個實驗室在進行DNA重組與雙鏈DNA斷裂修復方面的研究。但遺憾的是，“純機制”方面的研究是塊“硬骨頭”，人們在這方面的認識不足，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同源重組的機制，就可以清楚很多疾病到底是怎么產生的，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）抑制掉后，乳腺癌、卵巢癌細胞很容易被殺死，利用該機理研制的新藥已經上市。

“我們搞基礎研究，就是想把DNA同源重組、修復雙鏈斷裂的機制搞清楚。一旦機制搞清楚了，人們就可以找到很多疾病治療的靶點。并針對靶點研發特效藥。”孔道春說，“研究表明，大約50%～96%的各類癌癥由P53蛋白缺失或功能缺陷引起，如果把P53的作用機制弄清，會將癌癥治療提高一個層次，癌癥可以被治愈或成為一種慢性病，從而從根本上解決癌癥治療等方面的問題。”

對該項成果，《細胞》雜志審稿人評價說：“The study is timely because of the growing interest in the role of RNA during DSB repair and will be of great interest to the field. ”（這項研究非常及時，由于RNA在修復過程中日益增強的興趣，將成為該領域巨大的興趣點。）

“該研究將促進相關技術開發，包括疾病的基因治療、物種開發、抗癌藥物研發等，下一步將開展藥物篩選研究。”孔道春說，“如果我們將DNA重組的分子機理全部搞清楚，就可以改進并重組基因，并通過基因改造，延長人們的壽命，提升生命質量。”