Science：新研究揭示DNA环在修复基因损伤中的新作用

同源重组（HR）通路通过从同源供体DNA模板（通常是姐妹染色单体）复制序列信息到受损位点，来修复DNA损伤，例如双链断裂（DSBs）。在哺乳动物的HR过程中，RAD51（辐射敏感蛋白51）重组酶在DSB处DNA末端处理过程中产生的经过切除的单链DNA（ssDNA）周围形成核蛋白丝，称为突触前纤维。随后，突触前纤维通过一个称为同源性搜索的过程，扫描基因组以寻找合适的同源DNA供体。然而，在三维（3D）基因组的背景下，这种同源性搜索是如何发生的，目前仍未被广泛探索。

为了研究DSB修复，研究人员使用了一种光遗传学多靶点CRISPR-Cas9系统，该系统能够以高通量和时间控制的方式产生DSBs。他们在人胚胎肾（HEK）293T细胞中进行多靶点CRISPR损伤后，分别进行了时间分辨的Hi-C和染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq） 分析，以捕获修复过程中基因组结构以及关键因子染色质相互作用的变化。此外，他们还在小鼠胚胎干细胞中使用HR-GFP报告基因进行了重组实验，以测量针对位于不同距离的供体位点的Cas9诱导DSB的HR效率。

他们发现，Cas9诱导的DSBs会以黏连蛋白（cohesin）依赖的方式，诱导形成以断裂位点为锚点的染色质环。然而，与预期相反，这些断裂锚定的染色质环并非在DSB产生后立即形成，而是在修复过程中相对较晚（>1小时）才形成，这与DNA末端切除和突触前纤维的形成在时间上重合。他们的ChIP-seq数据进一步揭示，除了结合在约5 kb长的突触前纤维周围的ssDNA上之外，RAD51还结合到双链DNA（dsDNA）上，覆盖了DSB位点侧翼延伸数百kb的广阔染色质区域。额外的实验表明，这种广阔的染色质区域反映了在同源性搜索过程中发生的RAD51-染色质相互作用。

这一广阔的RAD51染色质区域在时间上与断裂锚定染色质环的形成重合，受到TAD边界的限制，并受黏连蛋白卸载因子WAPL的调控。由此可见，他们的发现表明，断裂锚定的染色质环参与了同源性搜索。确实，耗竭负责环挤出的黏连蛋白亚基NIPBL会导致HR效率降低，并且当供体位于与DSB相距较远（数百kb）的染色体内时，这种效应更为显著。他们的结果表明，负责环挤出的黏连蛋白在同源性搜索中发挥作用，并且其在该搜索中的重要性随着DSB与TAD内染色体内同源供体之间基因组距离的增加而增加。

综上所述，他们的数据表明，黏连蛋白通过挤出断裂锚定的染色质环，很可能在HR过程中促进了同源性搜索，从而将DSB的染色体内扫描从一个3D问题转化为一个有序的1D过程。他们的工作揭示了由黏连蛋白组织的染色质环作为HR修复介导因子这一出乎意料的作用，并捕捉了哺乳动物HR过程中发生的基因组搜索。他们的发现为进一步探究3D基因组结构与DSB修复过程之间的相互作用，以及在细胞背景下同源性搜索的机制开辟了道路。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Alberto Marin-Gonzalez et al, Cohesin drives chromatin scanning during the RAD51-mediated homology search, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adw1928.