7.8:

7.8: 同源重组

Homologous Recombination

JoVE Core
Molecular Biology

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JoVE Core Molecular Biology

Homologous Recombination

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7.7: DNA Damage can Stall the Cell Cycle

7.9: Restarting Stalled Replication Forks

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02:31 min

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November 23, 2020

Overview

同源重组（HR）的基本反应涉及两个染色单体，其中包含共享重要身份的 DNA 序列。其中一个序列使用另一个序列的链作为模板，在酶催化反应中合成 DNA。最终产品是两种底物的新型融合。为了确保序列的准确重组，HR 仅限于细胞周期的 S 和 G2 期。在这些阶段，DNA 已经被复制，并且在姐妹染色单体上出现相同或相似 DNA 序列的可能性很高。因此，修复的时间可以防止不同序列之间的重组。这是 HR 的一个关键特征，尤其是在后代亲本 DNA 序列重组期间，错误的 HR 会导致整个基因和周围染色体区域的丢失。

HR 确保的精确修复已应用于基因编辑技术。HR 是最早用于编辑活细胞基因组的方法。CRISPR-Cas9 系统用于创建靶向双链断裂，以纠正基因组中致病突变。分离的片段被细胞吸收，在那里它们可以与细胞 DNA 重组并替换基因组的目标区域。HR 机制控制断裂的修复及其与细胞基因组的准确重组。为了帮助 HR 蛋白在双链断裂处精确定位，Cas9 蛋白与 HR 效应蛋白融合，后者可以在受损位点募集修复蛋白。研究表明，将 Cas9 与 CtIP、Rad52 和 Mre11 等蛋白质融合可以使细胞中的 HR 事件增加两倍，同时阻止非同源末端连接。HR 在基因组编辑中的这种应用可以彻底改变基因治疗，并为目前被认为无法治愈的遗传疾病提供治疗。

Transcript

DNA 复制的一个基本要求是保持遗传物质的完整性。因此，双链断裂优先通过同源重组进行修复，通常在 DNA 合成后两个子 DNA 分子靠近时进行，一个可以作为修复另一个的模板。

在真核生物中，一种称为 MRN 的蛋白质复合物由专门的核酸酶组成，可降解 DNA 受损的末端，而末端彼此相连。DNA 留下 3-4 个核苷酸的单链突出端，带有 3′ OH 末端。该单链部分被 RPA 蛋白稳定，直到 Rad51（原核蛋白 RecA 的同源物）被 ATP 激活，并与 DNA 结合形成细丝。

在细丝中，DNA 以核苷酸三联体的形式存在，其中 DNA 骨架在相邻的三联体之间解开。这种 DNA-蛋白丝通过拉伸完整的模板 DNA 并使其不稳定，与来自姐妹染色单体的双链 DNA 结合，因此两条链可以很容易地拉开，断裂的链可以尝试与模板结合，这个过程称为链侵袭。

侵袭链通过尝试在三个核苷酸的块中形成碱基对，在基因组 DNA 中寻找未受损的同源序列。如果碱基对不匹配，侵袭的 DNA 就会解离并寻找其他同源区域。如果来自侵入链的一个三联体与模板匹配，则对接下来的三个核苷酸进行采样。

如果序列匹配至少五个三联体，则形成置换环结构，DNA 聚合酶使用侵袭链作为模板。

在此之后，解旋酶取代现在延伸的侵入链，该链与未包被的受损链进行碱基对。接下来，第二条受损链与模板 DNA 的互补链退火，进行另一轮 DNA 合成。最后，姐妹链解离，DNA 连接酶密封缺口，恢复修复的螺旋，并确保准确修复完整染色体。

Key Terms and definitions

Learning Objectives

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