撑开生命体遗传物质的“保护伞”

“就像非洲大草原上的角马过河时遭到鳄鱼攻击一样，生命的遗传物质——DNA核苷酸长链也经常受到各种物理、化学或生物因素的攻击(核酸酶、DNA复制叉崩溃等。)，导致DNA断裂。”北京大学生命科学学院教授孔存春说，“DNA同源重组是生命体的必要过程，也是修复DNA断裂的主要方式。如果细胞的DNA同源重组功能有缺陷，就会导致基因缺失，人类可能会面临各种疾病。”

日前，孔传春研究组发表的一篇论文发现了DNA同源重组的一个必需中间体——RNA-DNA杂交体，以及一个必需因子——RNA聚合酶ⅲ。这项研究揭示了DNA同源重组的关键机制，进一步的研究将“有望极大地促进癌症治疗等问题的解决”。

未解之谜

DNA同源重组是基本的生物事件，是生命的必要过程。它在细胞生长、减数分裂、配子形成、物种进化、DNA双链断裂修复和基因组稳定性维持中起着重要作用。

“如果没有这个过程，或者重组过程中出现问题，精子、卵子、花粉、配子等。不会形成，高等生命体的遗传会有很大问题。”孔导说，“同源重组也是修复DNA双链断裂的两大途径之一。如果断裂的链不能修复，细胞可能会死亡。即使在一定条件下可以重新连接，也会导致基因的改变、缺失和不稳定，从而引发各种疾病。”

“DNA双链断裂是导致癌症的重要原因。”论文的共同第一作者刘思杰博士说，“30年前，人们发现如果两个基因(BRCA1和BRCA 2)出现问题，80%的女性在40岁后会患乳腺癌和卵巢癌。”

DNA同源重组由三个步骤组成:首先，相关核酸酶降解DNA的5链断裂，切断数千个核苷酸，导致形成3-单链DNA。第二，3-单链DNA侵入同源DNA模板链，作为DNA合成和链交换反应的引物，导致霍利迪连接(HJ)结构的形成。三种相关的核酸酶解开HJ结构，最终完成DNA的同源重组过程。

在DNA同源重组领域，有一个始终解决不了的关键问题:细胞如何在保证3链绝对完整的同时，切除末端5链上千个核苷酸。

“在过去的几十年里，普遍接受的观点是3-单链受RPA蛋白结合的保护。”孔导说，“但这种观点缺乏明确的实验证据。”

发现“中间”

孔导认为，通过蛋白质结合来保护几千个核苷酸的单链DNA免受核酸酶攻击，“理论上是不可能的”。

“蛋白质与3-单链的结合不可能早于核酸酶的攻击。对于长度上千个核苷酸来说，核苷酸很难被蛋白质完全覆盖而不留下任何被攻击的空缺口。客观上，蛋白质与DNA的结合不是恒定的，存在‘结合-脱离-重组’的可能性。一旦蛋白质与DNA分离，核酸酶就有机会攻击DNA。”孔春春说，“因此，细胞必须有其他机制来保护DNA断裂处的3-单链DNA。”

“我们发现3-单链DNA是通过形成暂时的RNA-DNA杂交链来保护的，RNA聚合酶III催化RNA链的合成。如果这里的RNA合成被阻止，DNA同源重组就会终止，就会造成基因缺失。”刘思杰说。

研究团队发现，RNA聚合酶III是同源重组的必需因子，RNA-DNA杂合链是DNA同源重组事件的必需中间体。

“一旦发现这种中间体，一系列问题就迎刃而解了。”孔导解释道，“RNA-DNA杂交链中间体的发现，可以推动真核细胞DNA同源重组的发展，将人们对DNA同源重组事件分子机制的认识推向一个新的高度。”

揭示关键机制

人类一直在与各种疾病作斗争。目前，全球有数千个实验室正在进行DNA重组和双链DNA断裂修复的研究。可惜“纯机理”的研究是一块“硬骨头”。人们对它的认识还不够，对一些重大疾病和一些先天缺陷的治疗手段还很有限。

“一旦我们了解了DNA同源重组的机制，我们就可以准确地知道有多少种疾病产生，它也可以在促进疾病治疗和药物开发方面发挥重要作用。”孔导说，科学家在BRCA1/2基因研究中发现，乳腺癌和卵巢癌细胞在一种酶(PARP)被抑制后很容易被杀死，利用这种机制研发的新药已经上市。

“我们做基础研究，就是想了解DNA同源重组和双链断裂修复的机制。一旦机制明确，人们可以找到许多疾病治疗的靶点。并针对目标开发特定的药物。”孔导说，“研究表明，各类癌症中，约50% ~ 96%是由P53蛋白缺失或功能缺陷引起的。如果明确了P53的作用机制，癌症治疗将提高到一个更高的水平，癌症可以治愈或成为一种慢性疾病，从而从根本上解决癌症治疗的问题。”

《细胞》杂志的评论员在评论这项成就时说:“这项研究非常及时，因为人们对RNA在DSB修复过程中的作用越来越感兴趣，这将对该领域产生巨大的兴趣。”(这项研究非常及时，由于RNA在修复过程中的兴趣越来越大，将成为该领域的一个巨大兴趣点。)

“这项研究将促进相关技术的发展，包括疾病的基因治疗、物种开发、抗癌药物的研发等。下一步将是药物筛选研究。”孔导说，“如果我们了解DNA重组的所有分子机制，我们就可以改进和重组基因，通过基因改造，我们可以延长人的寿命，提高人的生活质量。”