50年謎團終破解！揭示RecA在同源重組中尋找同源DNA機制

細胞如何利用另一個DNA拷貝作為模板來修補破損的DNA，多年來一直令科學家們感到困惑。如何可能在繁忙的細胞內部找到正確的DNA序列呢？如今，在一項新的研究中，來自瑞典烏普薩拉大學的研究人員發現了解決方案，這好比是你被蒙住眼睛，找到一根繩子比找到一個球更容易。相關研究結果于2021年9月1日在線發表在Nature期刊上，論文標題為“RecA finds homologous DNA by reduced dimensionality search”。

當DNA分子斷成兩截時，細胞的命運就會受到威脅。從細菌的角度來看，迅速修復斷裂的DNA是一個生死攸關的問題。但要修復DNA而不在序列中引入錯誤是具有挑戰性的；細胞中的修復機制需要找到一個模板。使用來自姐妹染色體的DNA模板修復斷裂DNA的過程被稱為同源重組（homologous recombination），在現有的文獻中已得到了很好的描述。然而，現有的描述通常忽略了在所有其他基因組序列中尋找匹配模板這一艱巨任務。染色體是一個復雜的結構，有幾百萬個堿基對的遺傳密碼，很明顯，簡單的三維擴散肯定是不夠快的。但是，那么，它是如何做到的呢？50年來，同源重組一直是個謎。從以前的研究中可以看出，分子RecA參與了搜索過程，而且在這個過程中起著重要的作用，但是，在此之前，我們對這一過程的理解是有限的。

如今，在這項新的研究中，烏普薩拉大學的Johan Elf教授及其團隊終于找到了這個搜索之謎的解決方案。他們使用基于CRISPR/Cas9的技術在細菌中進行可控的DNA斷裂。通過在一種微流控培養芯片（microfluidic culture chip）中培養細菌細胞，并用熒光顯微鏡跟蹤標記的RecA分子，他們可以對同源重組過程從頭到尾進行成像。

對DNA雙鏈斷裂修復進行高通量成像，圖片來自Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03877-6

RecA上的標記與DNA上的熒光標記一起，使得Elf團隊能夠準確地跟蹤這一過程的每一步；例如，他們得出結論，整個修復過程平均在15分鐘內完成，而確定模板DNA的位置大約需要9分鐘。利用熒光顯微鏡，Elf團隊實時調查了斷裂位點及其同源DNA拷貝的命運。他們還發現，細菌細胞的反應是重新排列RecA，使之形成橫跨細胞長度的細絲。

從三維搜索到二維搜索，對于快速找到同源序列的概率來說，確實是一個相當大的改進。正如日本數學家Shizuo Kakutani所說的那樣，“醉酒的人能找到回家的路，而醉酒的鳥可能永遠迷路”。他試圖用這些話來解釋一個奇怪的事實；通過隨機行走探索二維表面的物體遲早會找到它的起點，而在三維空間中，它很可能永遠不會回到“家”。

Elf團隊在模式生物大腸桿菌中進行了這一研究，但同源修復的過程對于人類或白鴿等高等生物來說幾乎是相同的。DNA損傷在我們體內經常發生，如果沒有修復斷裂的DNA的能力，我們將極易受到諸如紫外線和活性氧的影響，并更有可能患上癌癥。事實上，大多數癌基因都與DNA修復有關，這項新的研究提供的新機制見解可能有助于我們了解腫瘤生長的原因。

注：原文有刪減

參考資料：

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