每次人类或细菌细胞分裂时，首先必须复制自己的DNA。专门的蛋白质解开缠绕在一起的DNA链，而其他蛋白质则以原始DNA链为模板，跟随并构建新的DNA链。每当这些蛋白质遇到断裂——有很多断裂——它们就会停下来并撤退，让新的分子参与者进入这个场景。
长期以来，科学家们一直试图了解细菌细胞中的修复蛋白RecA是如何帮助破碎的DNA找到弥合缺口的方法的。他们知道RecA将断裂的DNA链引导到相邻的双链DNA上的匹配序列，但他们不知道如何引导。在一项新的研究中，研究人员报告说，他们已经确定了RecA蛋白的工作原理。
领导这项研究的伊利诺伊大学物理学教授Taekjip Ha说:“科学家们一直困惑的是:受损的DNA如何寻找并找到它的伴侣，即匹配的DNA，以便它能够自我修复?”“因为基因组DNA有数百万个碱基长，这项任务就像大海捞针一样。我们找到了细胞如何如此迅速地做到这一点的答案。”
这项研究发表在由霍华德休斯医学研究所(HHMI)、马克斯普朗克学会和威康基金会支持的一份新的开放获取期刊上。他是HHMI的调查员。美国国家科学基金会为这项工作提供了主要资金。
DNA修复对健康、活力和长寿至关重要。这一过程的中断可能导致动物早发与衰老或癌症相关的疾病。例如，被称为BRCA2的乳腺癌突变破坏了一个参与将Rad51(相当于人类的RecA)装载到断裂DNA链上的基因，从而开始修复过程。
先前的研究表明，在细菌中，RecA形成一种细丝，缠绕在断裂的单链DNA上。就像媒人试图为未配对的舞者寻找伴侣一样，它会搜寻相应的DNA链，以寻找与断裂的DNA链完美配对的序列。一旦它找到序列，断裂的链就会进入并与它的新伙伴化学结合，取代未断裂的链(最终与另一条断裂的链配对)。这种精心设计的分子方阵舞使细胞能够继续复制其基因组。每条断裂的链现在都与一条未断裂的链配对，并使用完整的链作为复制的模板。(观看这个过程的动画。)
“如果DNA发生断裂，你必须修复它，”Ha说。“我们想知道RecA如何帮助DNA在基因组DNA的海洋中找到与之互补的序列，以及它是如何如此迅速地做到这一点的。”
为了回答这个问题，研究人员利用荧光共振能量转移(FRET)来实时观察RecA蛋白和DNA的相互作用。FRET使用荧光分子，其信号的强度取决于它们彼此的接近程度。通过标记由RecA结合的单链DNA，并将不同的荧光标记放在一段双链DNA上，研究人员可以看到分子之间是如何相互作用的。
研究小组确定，与断裂的单链DNA分子结合的RecA实际上沿着双链DNA分子来回滑动，寻找匹配的DNA。
“我们发现这种RecA纤维可以在双链DNA上滑动，覆盖大约200个碱基对的DNA序列，”Ha说。“这就是一条DNA链如何与来自不同DNA双链的另一条DNA链交换。这个过程被称为“重组”。’”
Ha说，这一发现解释了DNA修复为何发生得如此之快。
“我们做了一个计算，发现如果没有我们发现的这种过程，那么DNA修复将会慢200倍，”他说。“所以你的DNA不会被快速修复，损伤会累积，可能导致严重的疾病。”
研究小组包括研究生考什克·拉格纳坦和刘成。他是基因组生物学研究所的附属机构，也是伊利诺斯州国家科学基金会活细胞物理中心的联合主任。
