2021 年 2 月 23 日，北京大学生命科学学院孔道春实验室在 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，解决了真核细胞 DNA 同源重组领域里一个长期悬而未决的核心问题，并推动 DNA 同源重组事件分子机制的理解到一个新的层次。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。https://en.wikipedia.org/wiki/Homologous_recombinati on#/media/File:HR_in_meiosis.svgDNA 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。Sung P, Klein H (2006). "Mechanism of homologous recombination: mediators and helicases take on regulatory functions". Nature Reviews Molecular Cell Biology 7: 739-750.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，研究者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，研究者认为细胞必定用其它机制来保护 DNA 断裂处的 3'- 单链 DNA。本研究中，孔道春实验室发现 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、动植物物种的开发、抗癌药物的研发等。北京大学生命科学学院孔道春教授为该论文的通讯作者。刘思杰博士、华余博士、王静娜副教授、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，和北大生科院纪建国教授也做了重要贡献，孔道春实验室其他成员对本论文也提供了帮助。https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00091-X
