2021年2月23日，开云app体育 生命科学学院孔道春实验室在国际顶级学术期刊Cell在线发表了题为“RNA polymerase III is required for the repair of DNA double-strand breaks by homologous recombination”的研究论文。该研究发现了DNA同源重组过程的一个必需中间体—RNA-DNA hybrid，及一个必需因子—RNA聚合酶III。

图1.减数分裂期姐妹染色体重组

图2.同源重组的一般过程 Sung P, Klein H (2006). "Mechanism of homologous recombination: mediators and helicases take on regulatory functions". Nature Reviews Molecular Cell Biology7: 739-750.

作为三大DNA代谢途径（DNA复制、重组、损伤修复）之一，DNA同源重组（Homologous Recombination）是生命体的基本生物事件。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，起着必需作用。如图1显示，两条相似但不完全一致的同源染色体通过DNA同源重组进行遗传信息交换，以促进生命体进化。

DNA同源重组由三大主要步骤组成（图2）：1）链末端切除（end resection）：MRN-CtIP、DNA2、EXO1等核酸酶对DNA双链断裂（DNA double-strand break, DSB）处进行5'-链降解，切除大约几千个核苷酸，导致3'-单链DNA形成；2）3'-单链DNA入侵同源DNA模板链（strand invasion）：通过多个蛋白帮助，Rad51包裹3'-单链DNA形成核酸-蛋白复合体，该复合体侵入同源DNA链，3'-单链DNA作为引物进行DNA合成；3）解开Holliday Junction （HJ）结构（resolution of Holliday Junction）：3'-单链DNA侵入同源DNA模板链后，随后进行的DNA合成及链交换反应，导致HJ结构形成，相关核酸酶解开HJ结构，并最终完成DNA同源重组过程。

DNA同源重组领域，有一个关键问题一直等待阐明：即细胞是如何进行末端切除5’-链的几千个核苷酸，但又保证3’-链的绝对完整。过去二三十年，一个普遍被认可或接受的观点是：3'-单链是通过RPA（replication protein A，a single-strand DNA binding complex）的结合来保护的。但是，此观点缺乏确切的实验证据。再进一步考虑，用蛋白结合的方式来保护几千个核苷酸长度的单链DNA，避免被核酸酶攻击，从理论上讲，这个可能性非常小，理由有三个：1）细胞如何能做到蛋白结合能早于核酸酶攻击；2）细胞如何能做到几千个核苷酸长度的每一个核苷酸都被蛋白覆盖而不留任何被核酸酶攻击的空隙；3）蛋白结合到DNA不可能是恒定的，有结合-脱离-再结合事件发生，蛋白一旦脱离DNA, 核酸酶就得到了攻击DNA的机会。具体到此生物事件，我们不认为细胞能做到第一和第二点，第三点是客观现实存在。因此，我们认为细胞必定用其它机制来保护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杂交链来得到保护，催化此RNA链合成的是RNA聚合酶III。如果阻止此处RNA合成，则DNA同源重组终止，并造成基因缺失。因此，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。图3是DNA同源重组的最新模型。RNA-DNA杂交链中间体的发现将推进真核细胞DNA同源重组领域里一系列长期悬而未决的问题的解决，并推进DNA同源重组事件分子机制的理解到一个新的层次；同时，将促进相关技术的开发，包括疾病的基因治疗、动植物新物种的开发、抗癌药物的研发等。

图3. 新的DNA同源重组模型

孔道春教授为该论文的通讯作者。刘思杰博士、华余博士、王静娜博士、以及孔道春实验室技术员李凌彦为该论文的共同第一作者。袁俊杰、张波、王子阳、纪建国教授也作了重要贡献，感谢实验室所有成员的帮助。本工作得到了北大-清华生命科学联合中心、科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室以及生命科学学院仪器中心（成像平台）的大力支持，在此，表示衷心感谢。