新研究发现DNA快速修复的机制

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导读

在细菌中，RecA蛋白将受损的DNA链引至完整的双链DNA上进行修复，但是这一过程是如何发生的并不为人所知。一项新的研究解开了这一谜题：RecA与受损链结合后，在双链上来回搜寻，寻找匹配的序列，完成DNA的修复。

人或细菌的细胞分裂时，必须对其DNA进行复制。特定的蛋白将相互缠绕的DNA双链解开，随后其他的蛋白质紧随而上，以原DNA为模板建立新的DNA链。这些蛋白质不管什么时候遇到中断——这种情况很常见——它们都会停下来并撤出DNA复制过程，从而其他的蛋白质开始“进场”。


科学家长期以来一直在试图探明这些蛋白中的一员——细菌细胞中一种叫做RecA的修复蛋白——是如何帮助DNA填补链种的空缺的。科学家已经知道的是，RecA蛋白将断裂的DNA引导至相邻双链DNA上的匹配序列上，但是他们不知道这是如何发生。这个问题直到最近的一项研究才弄清楚。


“科学家感到困惑的问题是：受损的DNA是怎么寻找它的搭档从而对自己进行修复的？”伊利诺伊大学负责这项研究的Taekjip Ha教授说。“因为基因组DNA长达数百万碱基对，这样的任务就如同大海捞针。我们找到了细胞快速完成修复的答案。”

伊利诺伊大学Taekjip Ha教授

这项新的研究发表在eLife上（eLife是由哈佛休斯顿医学院、马克思普朗克协会以及惠康信托基金共建的开放性学术期刊）。Taekjip Ha教授是哈佛休斯顿医学院的研究员。

DNA修复对健康、活力以及寿命至关重要。DNA修复过程的混乱会导致动物中与衰老相关疾病或癌症的提早发生。例如乳腺癌突变基因BRCA2会打乱一个与Rad51蛋白运载有关的基因。Rad51相当于细菌的RecA，是人类的修复蛋白。

过往的研究已经证实，在细菌中，RecA蛋白会形成细丝缠绕在受损的单链DNA上。就像媒人为单身男女牵线一样，RecA在对应的DNA链上寻找能够与受损链完美匹配的序列。一旦找到正确的序列，受损DNA即与它的新搭配通过化学键结合，将未受损链替换出来（替换出来的链最后还会去另外的受损连结合）。这一精巧的过程使得细胞可以继续它的基因组复制。每一条受损链现在与一条完整链结合在一起，并且以完整链为模板进行修复复制。

Taekjip Ha教授表示：“DNA中一旦出现缺口就必须进行修复。我们想知道RecA是怎样在基因组DNA中找到互补的序列，并且还如此迅速的。”

为了回答这个问题，研究人员利用荧光能量共振转移（FRET）来实时观察RecA与DNA之间的相互反应。FRET中使用的荧光分子会根据彼此间相互临近情况发出强弱不同的信号。研究人员对结合了RecA的DNA单链进行标记，并用不同的荧光对双链DNA进行标记，这样即可对DNA分子间的相互接触进行实时观察。

研究人员的实验发现，结合在受损单链DNA上的RecA实际上是在双链DNA上来回滑动，寻找合适的序列。

“我们发现，这种RecA纤维可以在双链DNA上滑动，跨度为200碱基对，” Taekjip Ha教授说。“这就是DNA链与不同双链DNA发生链交换的方式，这个过程叫做重组。” Taekjip Ha教授表示这一发现可以解释DNA修复为什么能如此迅速。如果没有该过程，DNA的修复过程将满200倍。“DNA无法得到快速修复，损伤会积累，就可能导致严重的疾病。

RecA filament sliding on DNA facilitates homology search

Taekjip Ha et al.

During homologous recombination, RecA forms a helical filament on a single stranded (ss) DNA that searches for a homologous double stranded (ds) DNA and catalyzes the exchange of complementary base pairs to form a new heteroduplex. Using single molecule fluorescence imaging tools with high spatiotemporal resolution we characterized the encounter complex between the RecA filament and dsDNA. We present evidence in support of the ‘sliding model’ wherein a RecA filament diffuses along a dsDNA track. We further show that homology can be detected during sliding. Sliding occurs with a diffusion coefficient of approximately 8000 bp2/s allowing the filament to sample several hundred base pairs before dissociation. Modeling suggests that sliding can accelerate homology search by as much as 200 fold. Homology recognition can occur for as few as 6 nt of complementary basepairs with the recognition efficiency increasing for higher complementarity. Our data represents the first example of a DNA bound multi-protein complex which can slide along another DNA to facilitate target search.