微同源性介导的末端连接过程：追踪基因组保护的进化足迹

《Annual Review of Cell and Developmental Biology》：Microhomology-Mediated End-Joining Chronicles: Tracing the Evolutionary Footprints of Genome Protection

DNA双链断裂（DSBs）修复中，微同源末端连接（MMEJ）作为低保真修复途径，依赖DNA聚合酶θ（Polθ）介导，通过微同源序列修复断裂并产生插入或缺失突变。其作用贯穿细胞周期，尤其在S/G2期复制压力和有丝分裂阶段，弥补HR和NHEJ的不足，维持基因组稳定性。Polθ抑制与BRCA缺陷癌细胞存在合成致死性，并成为基因编辑工具优化靶点效率的新方向。该途径在基因组多样性形成和病毒整合调控中亦发挥关键作用。

　　DNA双链断裂（DSBs）是细胞内最具破坏性的DNA损伤之一，可能引发染色体的重排和断裂，对基因组的完整性和细胞的生存能力构成严重威胁。因此，细胞进化出多种修复机制来应对DSBs。这些机制包括非同源末端连接（NHEJ）、同源重组（HR）和微同源介导的末端连接（MMEJ）。尽管NHEJ和HR通常被认为是高保真性的修复途径，MMEJ却以其高突变性而著称，这使其在某些情况下成为关键的修复机制。

MMEJ是一种高度保守的DSB修复途径，广泛存在于从细菌到多细胞真核生物的多种物种中。其核心特征是利用微同源序列（通常为1到几十个碱基）进行断裂末端的连接。这种机制在细胞周期的特定阶段，如DNA复制压力较大的情况下，显得尤为重要。例如，当DNA复制叉因某些障碍（如G-四链体结构或DNA损伤）而崩溃时，MMEJ能够修复这些断裂，避免染色体的进一步断裂和细胞死亡。此外，MMEJ在有丝分裂中也扮演了重要角色，尤其是在NHEJ和HR无法有效修复DSBs时，MMEJ成为一种“最后的手段”。

DNA聚合酶theta（Polθ）是MMEJ中的关键蛋白，其不仅具有聚合酶活性，还具备解旋酶功能。Polθ能够识别并结合微同源序列，促进断裂末端的连接，并在连接过程中引入突变。这一特性使Polθ成为MMEJ突变性的主要来源。在一些研究中，Polθ被发现是某些DNA修复事件的必要因素，如CRISPR/Cas9诱导的断裂修复和DNA转座子引起的断裂修复。在哺乳动物中，Polθ在有丝分裂期间被高度激活，其通过与TopBP1、RHINO等蛋白的相互作用，促进DNA断裂的修复，即使在DNA复制尚未完成的情况下，也能确保细胞进入有丝分裂时具有完整的染色体。

尽管MMEJ在修复DNA断裂方面具有重要作用，但其突变性也带来了潜在的遗传风险。在一些癌症中，MMEJ的活跃性与基因组不稳定性密切相关。例如，一些癌症类型的基因组重排和突变特征显示了MMEJ的参与。特别是在HR缺陷的肿瘤细胞中，抑制Polθ的活性能够显著增加细胞死亡，这使得MMEJ成为癌症治疗中的潜在靶点。此外，MMEJ在基因编辑中的应用也日益受到关注，尤其是在利用CRISPR技术进行精准基因组工程时，通过调控MMEJ的活性可以提高HDR（同源定向修复）的效率，减少非预期的突变。

然而，MMEJ的高突变性也意味着它可能在某些情况下促进不稳定性，尤其是在基因组整合或修复过程中。例如，在植物中，MMEJ被发现与Agrobacterium介导的T-DNA整合有关，这种整合可能导致基因表达的随机变化，从而影响植物的遗传稳定性。在哺乳动物中，MMEJ也可能促进病毒DNA的整合，如人乳头瘤病毒（HPV）在宫颈癌中的整合过程，可能依赖于MMEJ。这些发现提示我们，MMEJ不仅在修复断裂中起作用，还在控制外源DNA的整合和调控基因组的多样性方面发挥着重要作用。

MMEJ的多样性还体现在不同物种中对微同源序列长度的需求上。例如，在线虫中，微同源序列通常较短（1-2个碱基），而在酵母中，微同源序列的长度则可达6-20个碱基。这种差异可能与不同物种的DNA修复机制和基因组结构有关。同时，MMEJ的修复过程也受到多种蛋白的调控，包括PARP1、RPA、Rad52等。这些蛋白在不同阶段发挥作用，如PARP1通过在DNA断裂处添加ADP核糖基团，为MMEJ的进行创造了一个适合的环境。

此外，MMEJ的修复结果往往呈现出复杂的插入和缺失模式，这使得它在基因组工程中具有独特的价值。例如，在CRISPR/Cas9诱导的断裂修复中，MMEJ可以用于引入特定的插入或缺失，从而实现对基因组的精准操控。然而，这种机制也可能导致非预期的突变，因此在实际应用中需要仔细评估其影响。目前，科学家们正在探索如何通过药物抑制Polθ的活性，以提高HDR的效率，从而为基因治疗提供新的策略。

MMEJ的修复过程不仅影响基因组的稳定性，还在基因组多样性方面发挥了关键作用。一些研究显示，MMEJ可能通过引入突变，为物种的进化提供遗传变异的来源。例如，在线虫和某些鱼类中，MMEJ与基因组的重排和变异密切相关。此外，MMEJ还在DNA转座子的复制和整合过程中发挥作用，这可能促进了基因组的动态变化和适应性进化。在某些情况下，MMEJ甚至能够控制病毒DNA的整合，如HPV在宿主基因组中的整合过程。

尽管MMEJ在多种生物中被广泛研究，但其具体的分子机制和调控方式仍存在许多未解之谜。例如，Polθ在有丝分裂中的具体作用机制尚未完全明确，其如何在染色体高度凝聚的情况下仍然发挥作用仍需进一步探讨。此外，MMEJ在不同细胞周期阶段的活动是否受到严格限制，以及如何与其他修复机制相互作用，仍然是重要的研究课题。随着研究的深入，科学家们希望揭示MMEJ在基因组稳定性与遗传多样性之间的微妙平衡，并探索其在生物进化、基因治疗和疾病防控中的潜在应用。