拟南芥叶绿体基因组DNA双链断裂修复的全新分子机制
2021年6月16日，清华大学生命学院/清华-北大生命科学联合中心孙前文实验室在Nucleic Acids Research杂志在线发表题为“RNase H1C与单链DNA结合蛋白WHY1/3和重组酶RecA1在拟南芥叶绿体中协作完成DNA损伤修复 (RNaseH1C collaborates with ssDNA binding proteins WHY1/3 and recombinase RecA1 tofulfill the DNA damage repair in Arabidopsis chloroplasts)”的研究论文，揭示了RNA:DNA hybrids结构协助拟南芥叶绿体基因组DNA双链断裂修复的全新分子机制。
正确修复受损DNA对基因组完整性和个体发育至关重要。作为半自主细胞器，质体必须通过一系列机制来维持自身基因组完整。孙前文实验室之前发现通过维持三股基因组结构R-loop的水平可以保持质体免遭转录-复制对撞导致的基因组断裂（The Plant Cell, 2017；CellReports, 2020），其中定位于叶绿体中的RNase H1家族R-loop移除酶AtRNH1C在这一过程中发挥关键作用。他们之前的结果发现单链DNA结合蛋白WHY1/3与AtRNH1C有潜在的相互作用（Yang et al., The Plant Cell, 2017），而WHY1/3已被证实在DNA断裂修复过程中起非常重要的作用。据此他们探究了AtRNH1C和R-loop参与修复DNA断裂的可能性。他们的结果发现AtRNH1C的缺失（R-loop的积累）使重组酶RecA1在叶绿体中的排布由丝状变为点状（图1A），且抑制WHY1/3在cpDNA断裂位点的积累。随后他们证实WHY1/3和AtRNH1C被招募到相同的基因组位点以促进同源重组(HR)。AtRNH1C或WHY1/3的缺失会显著抑制质体编码的RNA聚合酶(PEP)结合到DNA断裂位点，从而抑制同源重组(HR)并促进微同源介导的双链断裂修复(MMBIR)。随后的遗传学实验证实DNA聚合酶Pol IB与AtRNH1C共同参与DNA损伤修复过程。本研究揭示AtRNH1C与WHY1/3和RecA1共同维持叶绿体基因组完整性，证实RNA:DNA hybrids在促进同源重组修复和叶绿体细胞器发育过程中的积极作用。本研究是继解析AtRNH1C与RHON1调控转录-复制正面对撞、维持叶绿体基因组稳定的分子机制（Yang et al., The Plant Cell, 2017；Yang et al., Cell Reports, 2020）后的又一重要结果。
图1（A）重组酶RecA1在叶绿体中成丝状分布，但RNA:DNAhybrids积累（atrnh1c突变体中）导致其呈点状分布；（B）RNA:DNAhybrids介导叶绿体基因组损伤修复的分子机制模型。
清华大学生命学院孙前文研究员为本文的通讯作者，课题组博士后王文杰为第一作者，博士研究生李宽、已毕业博士研究生生杨卓、已出站博士后侯全璨和实验室研究助理赵伟对本课题做出贡献。该工作得到科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委以及生命科学联合中心等经费的支持。
据悉，本项目已结合高通量测序技术，对现有RecA1-GFP系统在不同遗传背景下进行抑制子/增强子筛选且已获得大量相关突变体。这为持续探究本项目中RNA:DNAhybrids影响RecA1丝状结构的分子机制和相应的生物学意义提供了重要遗传材料。孙前文实验室长期招收博士后（https://mp.weixin.qq.com/s/XFk5OCnevgp1uPUg_MHTqQ），欢迎对R-loops与基因组调控方向感兴趣的应（往）届博士毕业生申请。
