自Watson和Crick揭示DNA雙鏈的結構以來，分子生物學便開始了迅猛的發(fā)展。人們驚奇的發(fā)現(xiàn)，一個生命體從受精卵發(fā)育到完整個體的全部信息，都儲存在了僅由4種脫氧核苷酸組成的DNA當中。在這種精巧的雙鏈結構當中，兩條反向平行的DNA鏈以配對堿基之間的氫鍵穩(wěn)定的結合在一起。堿基互補配對的專一性使得DNA可以通過半保留復制將自身信息精確的遺傳給新合成的子鏈，同時也能夠將序列信息精確的翻譯成蛋白質行使生命活動。但是，環(huán)境中無時無刻不存在著各種因素能夠損傷DNA雙鏈，如活性氧（ROS， reactive oxygen species），紫外線以及一些特殊的化學試劑（一些致癌物，如酒精、尼古丁等），他們會使得DNA產生各種各樣的損傷，包括：破壞一條單鏈上的磷酸二酯鍵從而造成單鏈斷裂（SSB， single-strand break）；有些損傷則發(fā)生在堿基上，造成復制或者轉錄時信息不能正確讀??；如果兩條單鏈都發(fā)生了斷裂，便是細胞中最常見的雙鏈斷裂（DSB， double-strand break）。

以上的各種損傷會使得DNA中包含的遺傳信息或者表達過程遭到破壞，輕則影響細胞的正常活動，重則使得細胞癌變甚至直接死亡。當然，面對這些無處不在的威脅，細胞并不會坐以待斃。在漫長的進化歷程中，生物大多都擁有了修復這些DNA損傷的能力。作為細胞中最常見的一種損傷，DSB便是我們今天的主角。

當兩條DNA鏈均被切斷時，DSB便產生了。在裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe，S. pombe; fission yeast）中，有兩條主要的修復通路來應對DSB，它們是非同源末端連接（NHEJ, nonhomologous ending joining）和同源重組（HR， homologous recombination）。簡單的來說，NHEJ是通過將兩個斷裂的DNA末端重新連接來修復DSB的。但是由于DSB的普遍性，所以有一定的概率將本不是同一DSB產生的兩個末端連接到一起，這就會導致染色體的重排（rearrangement）——一種非常嚴重的細胞突變；而HR則是通過將與斷裂區(qū)域同源的序列（序列相似度很高，比如DNA復制時的姐妹染色單體）作為模板重新合成DNA來修復DSB，精確度很高，因此HR被認為是最安全可靠的DSB修復通路。但是，HR的局限性在于它只能存在于一些特定的細胞時期——DNA復制后，細胞分裂前，即需要存在姊妹染色體。對于一般的不能分裂的細胞，更為普遍的修復方式便是NHEJ，它在任何時期都會保持一定的活性。

首先來介紹一下HR介導的DSB修復通路。以裂殖酵母pombe為例（本人是做pombe的），當DSB出現(xiàn)時，MRN復合物（Mre11, Rad50 和 Nbs1組成，具有核酸外切酶活性）將被招募到兩個DNA斷裂末端進行5’端剪切（resection）工作，即將末端中的一條單鏈消化，產生一段含有3’端的單鏈區(qū)域。但MRN復合物的剪切能力比較弱，只能產生較短的3’單鏈區(qū)域。為了將單鏈區(qū)域極大地擴展，細胞還需要一些另外的外切酶來幫忙，比如Exo1或者Sgs1-Dna2復合物（Sgs1是一種解旋酶，幫助解開DNA雙螺旋），它們能夠接手MRN復合物的剪切任務，將3’單鏈區(qū)域極大地擴展，甚至可以達到幾十上百kb遠。

由于單鏈DNA相比于雙鏈DNA極不穩(wěn)定，所以單鏈DNA存在時往往會被一些蛋白質結合保護，RPA（replication protein A）便是其中的一種。以往，人們普遍認為RPA的作用僅僅是保護單鏈DNA，然后為接下來Rad52介導的Rad51裝載到單鏈DNA上做準備，但是2016年的一項研究發(fā)現(xiàn)在RPA結合單鏈DNA之前，這段單鏈DNA會首先被轉錄并在原位形成DNA-RNA雜交鏈（hybrid）（如上圖所示）。此后，有研究表明RPA可能和RNase H（一種核糖核酸酶，能特異性的降解DNA-RNA雜交鏈）有相互作用，即RPA可能有助于將RNase H招募到此處的hybrid區(qū)域從而降解雜交鏈。當然可能有人會問，既然先形成了hybrid結果最后又得花大力氣把它給降解了，這是為了個啥呀？2018年的一項研究表明，此處的hybrid能夠作為一個信號來招募修復相關的一些蛋白質，比如之前提到過的Rad52。當然如果只是為了形成一個信號，細胞大可不必費這種氣力先合成hybrid再招募RNase H將其降解，所以筆者認為DSB相關的hybrid合成應該有一些更深層次的原因，此處不做詳解。

承接RNase H降解hybrid后的便是經典模型中的Rad51裝載，由于Rad51具有較高的單鏈DNA親和性，所以才會需要在DSB末端進行剪切以產生一段較長的3’單鏈區(qū)域。Rad51裝載完畢所形成的Rad51纖絲具有尋找同源序列的功能，找到同源區(qū)段后它能夠侵入目標DNA雙鏈，從而進入下一步的修復過程。