正確修復受損DNA對基因組完整性和個體發育至關重要。作為半自主細胞器,植物的質體必須通過一系列機制來維持自身基因組完整。清華大學孫前文實驗室的最新研究發現RNA:DNA hybrids結構協助擬南芥葉綠體基因組DNA雙鏈斷裂修復的全新分子機制,證實RNA:DNA hybrids在促進同源重組修復和葉綠體細胞器發育過程中的積極作用,揭示了RNase H1蛋白AtRNH1C與單鏈DNA結合蛋白WHY1/3和重組酶RecA1在共同維持葉綠體基因組完整性過程中發揮著舉足輕重的作用。
孫前文實驗室之前發現通過維持三股基因組結構R-loop的水准可以保持質體免遭轉錄-複製對撞導致的基因組斷裂,其中定位於葉綠體中的RNase H1家族R-loop移除酶AtRNH1C在這一過程中發揮關鍵作用。他們之前的結果發現單鏈DNA結合蛋白WHY1/3與AtRNH1C有潜在的相互作用,而WHY1/3已被證實在DNA斷裂修復過程中起非常重要的作用。據此他們探究了AtRNH1C和R-loop參與修復DNA斷裂的可能性。本研究的作者們發現AtRNH1C的缺失(R-loop的積累)使重組酶RecA1在葉綠體中的排布由絲狀變為點狀(圖1A),且抑制WHY1/3在cpDNA斷裂位點的積累。隨後他們證實WHY1/3和AtRNH1C被招募到相同的基因組位點以促進同源重組(HR)。AtRNH1C或WHY1/3的缺失會顯著抑制質體編碼的RNA聚合酶(PEP)結合到DNA斷裂位點,從而抑制同源重組(HR)並促進微同源介導的雙鏈斷裂修復(MMBIR)。隨後的遺傳學實驗證實DNA聚合酶PolIB與AtRNH1C共同參與DNA損傷修復過程。
圖1:(A)重組酶RecA1在葉綠體中成絲狀分佈,但RNA:DNA hybrids積累(atrnh1c突變體中)導致其呈點狀分佈(B)RNA:DNA hybrids介導葉綠體基因組損傷修復的分子機制模型
本研究於6月16日在《核酸研究》(Nucleic Acids Research)期刊以“RNase H1C與單鏈DNA結合蛋白WHY1/3和重組酶RecA1在擬南芥葉綠體中合作完成DNA損傷修復(RNase H1C collaborates with ssDNA binding proteins WHY1/3 and recombinase RecA1 to fulfill the DNA damage repair in Arabidopsis chloroplasts)”為題線上發表。本研究是繼解析AtRNH1C與RHON1調控轉錄-複製正面對撞、維持葉綠體基因組穩定的分子機制後的又一重要成果。
清華大學生命學院孫前文實驗室博士後王文傑為論文第一作者,孫前文研究員為本文的通訊作者。博士研究生李寬、已畢業博士研究生生楊卓、已出站博士後侯全璨和實驗室研究助理趙偉對本課題作出貢獻。該工作得到科技部國家重點研發計畫、國家自然科學基金委以及生命科學聯合中心等經費的支持。
論文連結:
https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkab479/6300629
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