“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。”

新的DNA同源重组模型。

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。”

同源重组的一般过程。

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。

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。”

减数分裂期姐妹染色体重组。

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。”

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