同源重组介导的双链断裂修复（4）

      首先让我们回忆一下整体的HR修复通路，如下图1所示，双末端DSB（double-end DSB, deDSB）可以通过SDSA或者形成dHJ完成修复（详见上篇3）。对于单末端（single-end DSB, seDSB）而言，第二末端的缺失导致SDSA和dHJ通路皆无法走通，此时另一条重要的HR通路将会接过重任：break-induced replication即BIR。相比于教材中常见的SDSA和dHJ通路，BIR的存在感相对而言要弱很多，一方面因HR的通路解析较为全面，另一方面BIR功能范围限制，HR常用于修复S/G2期的DSB以及帮助产生减数分裂中的交叉联会（chiasma），而BIR目前已知的功能更像是针对HR功能覆盖不到的区域打的补丁。

    BIR初始阶段与HR类似，包括end resection（MRN complex，EXO1,DNA2,BLM等）与同源序列搜索（RAD51），但也有观点认为经典的end resection pathway会抑制BIR（Marrero et.al, 2010，Lydeard et.al, 2010）。DNA合成阶段更能反映BIR区别于HR的特点。相比于HR中通常少于100bp长的DNA合成，BIR的DNA合成则长的多（哺乳动物细胞中长至数kb，酵母中甚至可以达到大半条染色体的几百kb级别）。相应的，BIR复制叉组成也不同，主要表现为DNA聚合酶δ（POLD）和解旋酶PIF1的协同。超长的DNA合成带来了两个问题，其一是单链DNA（single strand DNA，ssDNA）在复制叉后的积累，其二是复制叉的稳定性。不同于普通DNA复制过程中的半保留（semi-conservative）复制，BIR的DNA复制是保留的（conservative），而且主导链（leading strand）和滞后链（lagging strand）的合成不是同步的。这种lagging strand的滞后性会导致新合成的leading strand处在ssDNA状态，而ssDNA的不稳定性又会进一步导致突变，关于这点很好的例子便是BIR伴生的一种由DNA脱氨酶APOBEC3A(DNA deaminase A3A)产生突变集群：kataegis。A3A作用于ssDNA上的C，脱氨后变为U，经由错配修复（mismatch repair, MMR）或者DNA复制就会导致C位上的点突变。这种在小范围区域内集中出的点突变群即是kataegis，它最早在某些癌症患者的基因组中被鉴定出来（Nik-Zainal et al. 2012），似乎反映了细胞癌变的某些过程（图2）。Sakofsky et al. 2014和Elango et al. 2019等人就报道过酵母中BIR中间产物能够成为A3A的底物，进而产生kataegis，但在哺乳动物细胞中尚无相关证据。

BIR复制叉在行进过程中并不稳定，这也导致了BIR的另一个独特现象：模板转换（template switch，TS）， 即复制叉解体后在其他位点重新组装。经过多轮的DNA合成和TS，BIR的最终修复产物很可能混合着多个来自不同位点的序列，即重排（rearrangement）突变（Costantino et al. 2013），这样大片段的结构性突变往往会造成严重的后果。解旋酶PIF1被报道过能够增强BIR复制叉的进程性（processivity），其功能缺失会导致BIR向突变性更强的microhomology-mediated BIR（MMBIR）转换，进而产生更多的重排突变（Sakofsky et al. 2015）。是什么导致了BIR复制叉的TS特性尚不明晰，具体的复制叉重组装机制也有待进一步研究，目前我们只是对TS的结果现象进行记录分析。

      综上所述，BIR虽然也是利用了同源序列进行修复的通路，但其较高的突变概率也注定了它不同于HR而被冷落的命运，只有在某些特定条件下才会被使用。哺乳动物细胞中较为常见的（伪？）BIR包括重启崩溃复制叉（collapsed fork restart），脆弱位点（common fragile site， CFS）的后S期复制（mitotic DNA synthesis，MiDAS）以及独特的端粒替代延长（alternative lengthening of telomere，ALT）。鉴于篇幅限制，关于这些情况下的BIR应用以及细胞精巧的调控机制，我们就下期再见吧~

(原谅我乱七八糟的封面0.0)