能夠準確地修復自發(fā)的錯誤、氧化或誘變劑導致的DNA損傷對于細胞生存至關重要。這種修復通常是利用完全相同或同源的完整DNA序列來實現(xiàn)。但科學家們現(xiàn)在證實，在一種常見芽殖酵母細胞內(nèi)RNA可充當模板用來修復破壞性最大的DNA損傷——DNA雙鏈斷裂。

盡管較早的研究表明了將RNA寡核苷酸導入到細胞中可幫助修復DNA斷裂，新研究第一次證實了可利用細胞自身的RNA來實現(xiàn)DNA重組和修復。這一研究發(fā)現(xiàn)有助于更好地了解細胞維持基因組穩(wěn)定性的機制，如果將這一現(xiàn)象延伸至人類細胞，有可能促成針對遺傳疾病的新的治療或干預策略。

這項研究得到了美國國家科學基金會、國立衛(wèi)生研究所和喬治亞科學聯(lián)盟(Georgia Research Alliance)的支持。研究結果發(fā)表在9月3日的《自然》（Nature）雜志上。

論文的資深作者、喬治亞理工學院生物學院副教授Francesca Storici說：“我們證實了遺傳信息可以一種同源驅(qū)動的方式從RNA流向DNA，從細胞的RNA流向同源的DNA序列。這一過程是在與遺傳信息通常流動相反的方向上移動它。我們證實了，當內(nèi)源性的RNA分子能夠經(jīng)退火與斷裂的同源DNA結合而不被移除時，RNA就可以修復受損的DNA。這一研究發(fā)現(xiàn)揭示了一種新的遺傳重組機制。“

大多數(shù)新轉(zhuǎn)錄的RNA都會從細胞核快速進入到細胞質(zhì)，在基因編碼和表達以及細胞運作調(diào)控中發(fā)揮許多重要的作用。通常情況下，RNA遠離核DNA。事實上，眾所周知RNA退火后與互補染色體DNA結合對于細胞是危險的，因為它會損害轉(zhuǎn)錄延伸和DNA復制，促進基因組不穩(wěn)定。

這項新研究揭示出在基因毒應激狀態(tài)下，例如DNA斷裂，RNA與互補DNA配對的作用有可能不同，對細胞是有益的。“我們發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)錄RNA經(jīng)退火與互補斷裂DNA結合，充當模板實現(xiàn)重組和DNA修復，由此在改變和穩(wěn)定基因組中起作用的一個機制，”Storici說。

細胞內(nèi)外的各種原因都可導致DNA損傷。由于DNA是由兩條互補鏈構成，一條DNA鏈通常用來修復另一條DNA鏈的損傷。但如果細胞遭受了雙鏈DNA斷裂，修復選項則更為受限。簡單地重新連接斷裂端具有很高的風險生成有害突變或染色體重排，可導致包括癌癥在內(nèi)的不良效應。不能進行成功地修復，細胞有可能會死亡或是無法執(zhí)行一些重要的功能。

在2007年初，Storici研究小組證實將合成RNA導入到細胞中（包括人類細胞）可以修復DNA損傷，但這一過程是低效的，且研究人員對于這一過程可否自然地發(fā)生存在一些質(zhì)疑。

為了弄清楚細胞是否利用了內(nèi)源性的RNA轉(zhuǎn)錄物來修復DNA損傷，她和研究生Havva Keskin（第一作者）、Ying Shen（第二作者）利用釀酒酵母設計了一些實驗。研究人員開發(fā)了一種策略在芽殖酵母中區(qū)分內(nèi)源性RNA介和通常的DNA機制導的修復。他們隨后誘導酵母基因組發(fā)生了DNA雙鏈斷裂，觀察了這一生物是否能利用細胞中僅有的轉(zhuǎn)錄RNA來修復損傷，從而生存下來并生長。

Keskin說，研究人員構建出了生成轉(zhuǎn)錄物的DNA區(qū)域，包含的一個標記基因中具有一個內(nèi)含子。在移除內(nèi)含子后，轉(zhuǎn)錄RNA序列中沒有內(nèi)含子，而生成轉(zhuǎn)錄物的DNA區(qū)域中則保有這一內(nèi)含子；因此它們是有差別的。他們發(fā)現(xiàn)，只有以缺乏內(nèi)含子的轉(zhuǎn)錄物作為修復模板可以讓誘導DNA雙鏈斷裂的同源標記基因恢復功能。

研究人員對培養(yǎng)皿中的酵母菌落數(shù)進行了計數(shù)，證實內(nèi)源RNA導致了修復。他們針對兩種斷裂形式進行了測試，一種是生成這一RNA轉(zhuǎn)錄物的DNA，另一種是來自DNA不同位點的同源序列。

研究人員發(fā)現(xiàn)RNA近似斷裂DNA可以提高修復效率，修復是通過一種同源重組過程來實現(xiàn)。Storici認為這種修復機制有可能在除酵母以外的細胞中起作用，有許多類型的RNA可被利用。

“我們證實遺傳信息從RNA流向DNA并不僅限于反轉(zhuǎn)錄因子和端粒，還發(fā)生在通用的細胞轉(zhuǎn)錄物身上，使得它成為了一種比預期更為普遍的現(xiàn)象。有可能，細胞中所有的RNA都具有這種功能。”

在未來，Storici希望能夠更多地了解這一機制，包括什么對它進行了調(diào)控。她還想知道這一機制是否發(fā)生于人類細胞之中。如果確是如此，有可能對于治療或預防遺傳損傷引起的一些疾病具有重要意義。

Storici 說：“在它們的生命周期里，細胞合成了很多的RNA轉(zhuǎn)錄物；因此，RNA有可能對于基因組穩(wěn)定性和可塑性造成了意想不到的影響。我們需要了解在什么情況下細胞或激活RNA-DNA重組。更好地了解這一分子過程，還有可能幫助我們操控一些機制，使得我們能夠治療或預防一種疾病。”