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北大孔道春团队揭示DNA同源重组关键机制

已有 842 次阅读 2021-2-25 09:29 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

“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。如果细胞的DNA同源重组功能缺陷,则会导致基因缺失,人类就可能面临各类疾病。”


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北京时间2021年2月24日,孔道春课题组《细胞》在线发表论文,发现一个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“有望极大推进解决癌症治疗等方面的问题。”

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新的DNA同源重组模型。


未解谜题


DNA同源重组是个基本生物事件,是生命体的必须过程。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、基因组稳定性维持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博士告诉《中国科学报》。“30年前人们就发现,如果两个基因(BRCA1、BRCA 2)出现问题,80%的女士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”:细胞是如何切除末端5’-链的几千个核苷酸,同时又保证3’-链的绝对完整。


“过去几十年,一个被普遍接受的观点是:3’-单链是通过RPA蛋白的结合来保护的。”孔道春说,“但此观点缺乏确切的实验证据。”

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同源重组的一般过程。


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杂交链得到保护,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。

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RNA聚合酶III转录形成DSB-RNA促进末端5’链切除,并且形成RNA-DNA杂交链保护末端3’链模式图。


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。”

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减数分裂期姐妹染色体重组。


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”,人们在这方面的认识不足,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,就可以清楚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。


“我们搞基础研究,就是想把DNA同源重组、修复双链断裂的机制搞清楚。一旦机制搞清楚了,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,癌症可以被治愈或成为一种慢性病,从而从根本上解决癌症治疗等方面的问题。”


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孔道春团队合影。


对该项成果,《细胞》杂志审稿人评价说:“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. ”(这项研究非常及时,由于RNA在DSB(double-strand break)修复过程中日益增强的兴趣,将成为该领域巨大的兴趣点。)


“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,下一步将开展药物筛选研究。”孔道春说,“如果我们将DNA重组的分子机理全部搞清楚,就可以改进并重组基因,并通过基因改造,延长人们的寿命,提升生命质量。”


相关论文信息:

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




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