Nature：50年谜团终破解！揭示RecA在同源重组中寻找同源DNA机制

2021年9月2日讯/生物谷BIOON/---细胞如何利用另一个DNA拷贝作为模板来修补破损的DNA，多年来一直令科学家们感到困惑。如何可能在繁忙的细胞内部找到正确的DNA序列呢？如今，在一项新的研究中，来自瑞典乌普萨拉大学的研究人员发现了解决方案，这好比是你被蒙住眼睛，找到一根绳子比找到一个球更容易。相关研究结果于2021年9月1日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“RecA finds homologous DNA by reduced dimensionality search”。

当DNA分子断成两截时，细胞的命运就会受到威胁。从细菌的角度来看，迅速修复断裂的DNA是一个生死攸关的问题。但要修复DNA而不在序列中引入错误是具有挑战性的；细胞中的修复机制需要找到一个模板。使用来自姐妹染色体的DNA模板修复断裂DNA的过程被称为同源重组（homologous recombination），在现有的文献中已得到了很好的描述。然而，现有的描述通常忽略了在所有其他基因组序列中寻找匹配模板这一艰巨任务。染色体是一个复杂的结构，有几百万个碱基对的遗传密码，很明显，简单的三维扩散肯定是不够快的。但是，那么，它是如何做到的呢？50年来，同源重组一直是个谜。从以前的研究中可以看出，分子RecA参与了搜索过程，而且在这个过程中起着重要的作用，但是，在此之前，我们对这一过程的理解是有限的。

如今，在这项新的研究中，乌普萨拉大学的Johan Elf教授及其团队终于找到了这个搜索之谜的解决方案。他们使用基于CRISPR/Cas9的技术在细菌中进行可控的DNA断裂。通过在一种微流控培养芯片（microfluidic culture chip）中培养细菌细胞，并用荧光显微镜跟踪标记的RecA分子，他们可以对同源重组过程从头到尾进行成像。

论文共同第一作者Jakub Wiktor说，“微流控培养芯片使我们能够同时跟踪数千个细菌的命运，并及时控制CRISPR/Cas9诱导的DNA断裂。CRISPR/Cas9是非常精确的，几乎就像拥有一把小小的DNA剪刀。”

对DNA双链断裂修复进行高通量成像，图片来自Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03877-6。

RecA上的标记与DNA上的荧光标记一起，使得Elf团队能够准确地跟踪这一过程的每一步；例如，他们得出结论，整个修复过程平均在15分钟内完成，而确定模板DNA的位置大约需要9分钟。利用荧光显微镜，Elf团队实时调查了断裂位点及其同源DNA拷贝的命运。他们还发现，细菌细胞的反应是重新排列RecA，使之形成横跨细胞长度的细丝。

论文共同第一作者Arvid Gynnå说，“我们可以看到就在DNA损伤之后，RecA形成了一种从断裂位点突出来的薄而灵活的结构。由于DNA末端被纳入到这种RecA细丝结构中，所以只要RecA细丝的任何一部分找到珍贵的DNA模板就足够了，因此理论上搜索从三维减少到二维。我们的模型表明，这是快速和成功的同源修复的关键。”

从三维搜索到二维搜索，对于快速找到同源序列的概率来说，确实是一个相当大的改进。正如日本数学家Shizuo Kakutani所说的那样，“醉酒的人能找到回家的路，而醉酒的鸟可能永远迷路”。他试图用这些话来解释一个奇怪的事实；通过随机行走探索二维表面的物体迟早会找到它的起点，而在三维空间中，它很可能永远不会回到“家”。

Elf团队在模式生物大肠杆菌中进行了这一研究，但同源修复的过程对于人类或白鸽等高等生物来说几乎是相同的。DNA损伤在我们体内经常发生，如果没有修复断裂的DNA的能力，我们将极易受到诸如紫外线和活性氧的影响，并更有可能患上癌症。事实上，大多数癌基因都与DNA修复有关，这项新的研究提供的新机制见解可能有助于我们了解肿瘤生长的原因。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Jakub Wiktor et al. RecA finds homologous DNA by reduced dimensionality search. Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03877-6.