植物中DNA的快速修复如何保护基因组免受内部威胁

科学家们发现了快速DNA修复在维持基因组稳定性方面的关键作用。一项新的研究表明，修复植物核DNA中的双链断裂（DSBs）是防止叶绿体中外源DNA整合的有力保障，这种现象虽然对进化很重要，但对基因组的稳定性可能非常不稳定。这项研究扩展了我们对植物基因组进化的认识，也与医学领域有关。

马克斯·普朗克自然植物分子植物生理学研究所的Enrique Gonzalez-Duran博士和Ralph Bock教授提出的研究结果为内共生基因转移（EGT）提供了新的见解，这是一个持续的进化过程，其中叶绿体和线粒体等细胞器的基因被重新定位到核基因组中。

虽然成功的基因转移有助于细胞核更好地协调其与细胞器的功能，但它们也带来了风险：DNA插入引起的突变会破坏必需的核基因并引发有害的重排。

研究小组发现，DSB修复机制在控制基因转移频率方面起着关键作用。为了研究植物如何控制EGT，研究小组专注于DSB修复途径——已知的细胞器DNA的进入点。研究人员使用转基因烟草植物和之前开发的EGT事件筛查系统，选择性地灭活了两种不同的DSB修复途径，并监测了65万多株幼苗的新EGT事件。

结果令人震惊：禁用这两种修复途径中的任何一种都会导致叶绿体向细胞核的基因转移急剧增加，在某些情况下高达20倍。

研究人员提出了一种新的模型来解释他们的结果：在正常情况下，植物会迅速修复核DNA中的DSB，在细胞器DNA进入之前有效地密封这些脆弱的位点。通过这种方式，DNA修复机制起到了分子“看门人”的作用。然而，当一条修复途径有缺陷时，其他途径可以在一定程度上进行补偿，但修复过程更慢。这种延迟使DSB暴露的时间更长，从而为叶绿体DNA整合创造了更多机会。其结果是EGT事件激增，通常伴随着基因组重排和不稳定性增加。

该研究的第一作者Enrique Gonzalez-Duran博士解释说：“这种影响的程度表明，快速的DNA修复对于植物保持长期的基因组稳定性至关重要。”。

尽管这项工作是在烟草植物中进行的，但研究小组认为，所发现的机制可能在真核生物中普遍存在。该研究所所长、合著者拉尔夫·博克教授说：“这些DNA修复途径在动物和真菌中是保守的。”。“我们的发现可以解释包括人类在内的其他生物体中类似的基因组不稳定机制。需要进一步的研究来澄清这一点。”

这项研究为理解细胞器DNA如何导致核基因组突变开辟了新的途径。它甚至可能与人类健康有关，尤其是与癌症生物学有关，因为线粒体DNA插入和基因组不稳定性是已知的肿瘤发生的分子触发因素。Gonzalez-Duran补充道：“我们的发现为基因组保护和基因转移的风险提供了基本的见解。”。“它揭示了快速DNA修复的重要性——不仅是修复损伤，也是捍卫基因组本身的完整性。”