撑开生命体遗传物质的“保护伞” DNA同源重组机制研究有望推进癌症治疗
发布时间：2021-03-19
信息来源：中国科学报
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发布时间：2021-03-19
信息来源：中国科学报
“就像非洲大草原上角马过河时会受到鳄鱼攻击一样，生命体遗传物质——DNA核苷酸长链经常受到各种物理、化学或生物性（核酸酶、DNA复制叉垮塌等）因子攻击，导致DNA断裂。”北京大学生命科学学院教授孔道春对《中国科学报》说，“DNA同源重组是生命体的必须过程，是修复DNA断裂的主要途径。细胞的DNA同源重组功能缺陷会导致基因缺失，使人类面临各类疾病。”
日前，《细胞》在线发表了孔道春课题组研究成果，他们发现了一个DNA同源重组过程必需的中间体——RNA-DNA hybrid，及一个必需因子——RNA聚合酶III。该研究揭示了DNA同源重组的关键机制，进一步的研究将“有望极大推进癌症治疗等问题的解决。”
未解谜题
DNA同源重组是一个基本生物事件，它在细胞生长、减数分裂、配子形成等多方面起着重要作用。
“如果没有这一过程，或是重组过程中出现问题，就不会形成精子、卵子、花粉、配子等，高等生命体的传承会出现极大问题。”孔道春说，“同源重组也是DNA双链断裂修复的两大途径之一。如果断链不能修复，细胞可能会死掉，即使它在某些条件下能重新接起来，也会导致基因改变、缺失、不稳定，从而引发各类疾病。”
“DNA双链断裂是引发癌症的一个重要原因。”该论文共同第一作者刘思杰告诉《中国科学报》，“30年前人们就发现，如果两个基因（BRCA1、BRCA2）出现问题，80%的女性40岁后，会患乳腺癌、卵巢癌。”
DNA同源重组由三大步骤组成：一是相关核酸酶对DNA双链断裂处进行5’—链降解，切除数千个核苷酸，导致3’—单链DNA形成。二是3’—单链DNA入侵同源DNA模板链，并作为引物进行DNA合成及链交换反应，导致Holliday Junction（HJ）结构形成。三是相关核酸酶解开HJ结构，并最终完成DNA同源重组过程。
在DNA同源重组领域，有个关键问题一直“搞不定”，即细胞是如何切除末端5’—链的几千个核苷酸，同时又保证3’—单链绝对完整的。
“过去几十年，一个被普遍接受的观点是：3’—单链是通过RPA蛋白的结合得到保护的。”孔道春说，“但此观点缺乏确切的实验证据。”
发现“中间体”
孔道春认为，用蛋白结合的方式来保护几千个核苷酸长度的单链DNA不受核酸酶攻击，“从理论上说可能性非常小”。
“蛋白与3’—单链的结合无法早于核酸酶攻击，几千个核苷酸长度上，核苷酸难以被蛋白完全覆盖而不留任何被攻击的空隙。客观上，蛋白结合到DNA上并不恒定，存在‘结合—脱离—再结合’的可能。一旦蛋白脱离DNA,核酸酶就有机会攻击DNA。”孔道春说，因此，细胞必定有其他机制保护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杂交链得到保护的，RNA聚合酶III催化了RNA链的合成。如果阻止此处RNA合成，则DNA同源重组终止，并造成基因缺失。”刘思杰说。
该课题组发现，RNA聚合酶III是同源重组的一个必需因子，RNA-DNA杂交链是DNA同源重组事件的一个必需中间体。
“这个中间体一旦被发现，一系列问题将迎刃而解。”孔道春解释说，RNA-DNA杂交链中间体的发现，能推进真核细胞DNA同源重组领域的发展，将人们对DNA同源重组事件分子机制的理解推到一个新层次。
揭示关键机制
人类一直在与各类疾病斗争，目前全球有上千个实验室在进行DNA重组与双链DNA断裂修复方面的研究。但遗憾的是，“纯机制”方面的研究是块“硬骨头”，人们对其认识不足，在一些重大疾病和某些先天缺陷疾病治疗方面，手段依然有限。
“一旦搞清DNA同源重组的机制，就可以知道很多疾病到底是怎么产生的，也能对疾病治疗和药物开发起到重要推动作用。”孔道春说，科学家在BRCA1/2基因研究中发现，将一种酶（PARP）抑制掉后，乳腺癌、卵巢癌细胞很容易被杀死，利用该机理研制的新药已经上市。
“我们做基础研究，就是想把DNA同源重组、修复双链断裂的机制搞清楚。一旦机制清楚了，人们就可以找到很多疾病治疗的靶点，并针对靶点研发特效药。”孔道春说，“研究表明，大约50%~96%的各类癌症由P53蛋白缺失或功能缺陷引起，如果把P53的作用机制弄清，会将癌症治疗提高一个层次，使癌症可以被治愈或成为一种慢性病，从根本上解决癌症治疗等方面的问题。”
孔道春表示，该研究将促进相关技术开发，包括疾病的基因治疗、物种开发、抗癌药物研发等，下一步团队将开展药物筛选研究。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.01.048（张双虎）
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