同源重组介导的双链断裂修复（1）
自Watson和Crick揭示DNA双链的结构以来，分子生物学便开始了迅猛的发展。人们惊奇的发现，一个生命体从受精卵发育到完整个体的全部信息，都储存在了仅由4种脱氧核苷酸组成的DNA当中。在这种精巧的双链结构当中，两条反向平行的DNA链以配对碱基之间的氢键稳定的结合在一起。碱基互补配对的专一性使得DNA可以通过半保留复制将自身信息精确的遗传给新合成的子链，同时也能够将序列信息精确的翻译成蛋白质行使生命活动。但是，环境中无时无刻不存在着各种因素能够损伤DNA双链，如活性氧（ROS， reactive oxygen species），紫外线以及一些特殊的化学试剂（一些致癌物，如酒精、尼古丁等），他们会使得DNA产生各种各样的损伤，包括：破坏一条单链上的磷酸二酯键从而造成单链断裂（SSB， single-strand break）；有些损伤则发生在碱基上，造成复制或者转录时信息不能正确读取；如果两条单链都发生了断裂，便是细胞中最常见的双链断裂（DSB， double-strand break）。
以上的各种损伤会使得DNA中包含的遗传信息或者表达过程遭到破坏，轻则影响细胞的正常活动，重则使得细胞癌变甚至直接死亡。当然，面对这些无处不在的威胁，细胞并不会坐以待毙。在漫长的进化历程中，生物大多都拥有了修复这些DNA损伤的能力。作为细胞中最常见的一种损伤，DSB便是我们今天的主角。
当两条DNA链均被切断时，DSB便产生了。在裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe，S. pombe; fission yeast）中，有两条主要的修复通路来应对DSB，它们是非同源末端连接（NHEJ, nonhomologous ending joining）和同源重组（HR， homologous recombination）。简单的来说，NHEJ是通过将两个断裂的DNA末端重新连接来修复DSB的。但是由于DSB的普遍性，所以有一定的概率将本不是同一DSB产生的两个末端连接到一起，这就会导致染色体的重排（rearrangement）——一种非常严重的细胞突变；而HR则是通过将与断裂区域同源的序列（序列相似度很高，比如DNA复制时的姐妹染色单体）作为模板重新合成DNA来修复DSB，精确度很高，因此HR被认为是最安全可靠的DSB修复通路。但是，HR的局限性在于它只能存在于一些特定的细胞时期——DNA复制后，细胞分裂前，即需要存在姊妹染色体。对于一般的不能分裂的细胞，更为普遍的修复方式便是NHEJ，它在任何时期都会保持一定的活性。
首先来介绍一下HR介导的DSB修复通路。以裂殖酵母pombe为例（本人是做pombe的），当DSB出现时，MRN复合物（Mre11, Rad50 和 Nbs1组成，具有核酸外切酶活性）将被招募到两个DNA断裂末端进行5’端剪切（resection）工作，即将末端中的一条单链消化，产生一段含有3’端的单链区域。但MRN复合物的剪切能力比较弱，只能产生较短的3’单链区域。为了将单链区域极大地扩展，细胞还需要一些另外的外切酶来帮忙，比如Exo1或者Sgs1-Dna2复合物（Sgs1是一种解旋酶，帮助解开DNA双螺旋），它们能够接手MRN复合物的剪切任务，将3’单链区域极大地扩展，甚至可以达到几十上百kb远。
由于单链DNA相比于双链DNA极不稳定，所以单链DNA存在时往往会被一些蛋白质结合保护，RPA（replication protein A）便是其中的一种。以往，人们普遍认为RPA的作用仅仅是保护单链DNA，然后为接下来Rad52介导的Rad51装载到单链DNA上做准备，但是2016年的一项研究发现在RPA结合单链DNA之前，这段单链DNA会首先被转录并在原位形成DNA-RNA杂交链（hybrid）（如上图所示）。此后，有研究表明RPA可能和RNase H（一种核糖核酸酶，能特异性的降解DNA-RNA杂交链）有相互作用，即RPA可能有助于将RNase H招募到此处的hybrid区域从而降解杂交链。当然可能有人会问，既然先形成了hybrid结果最后又得花大力气把它给降解了，这是为了个啥呀？2018年的一项研究表明，此处的hybrid能够作为一个信号来招募修复相关的一些蛋白质，比如之前提到过的Rad52。当然如果只是为了形成一个信号，细胞大可不必费这种气力先合成hybrid再招募RNase H将其降解，所以笔者认为DSB相关的hybrid合成应该有一些更深层次的原因，此处不做详解。
承接RNase H降解hybrid后的便是经典模型中的Rad51装载，由于Rad51具有较高的单链DNA亲和性，所以才会需要在DSB末端进行剪切以产生一段较长的3’单链区域。Rad51装载完毕所形成的Rad51纤丝具有寻找同源序列的功能，找到同源区段后它能够侵入目标DNA双链，从而进入下一步的修复过程。
