王宏偉研究組合作在線(xiàn)發(fā)文揭示DNA同源重組分子機(jī)制
清華新聞網(wǎng)12月15日電 12月12日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王宏偉課題組合作在《自然結(jié)構(gòu)和分子生物學(xué)》（Nature Structural & Molecular Biology）雜志在線(xiàn)發(fā)表題為《催化DNA鏈交換的人源重組酶RAD51纖維的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)》（Cryo-EM structures of human recombinase RAD51 filaments in the catalysis of DNA strand exchange）的研究論文，揭示了RAD51與DNA形成的復(fù)合體的近原子分辨率結(jié)構(gòu)，并初步闡述了在真核細(xì)胞的同源重組過(guò)程中，RAD51介導(dǎo)鏈交換過(guò)程的作用機(jī)制。
在真核生物細(xì)胞內(nèi)，雙鏈DNA遭受紫外線(xiàn)或某些化學(xué)物質(zhì)的傷害而產(chǎn)生斷裂之后，會(huì)啟動(dòng)DNA修復(fù)途徑。同源重組是其中一項(xiàng)非常重要的修復(fù)機(jī)制。人源重組酶RAD51會(huì)被招募并包繞在斷裂之后經(jīng)過(guò)酶復(fù)合物剪切產(chǎn)生的單鏈DNA上，呈現(xiàn)規(guī)則有序的螺旋結(jié)構(gòu)。此復(fù)合體會(huì)在附近尋找并捕獲雙鏈DNA，使其與被包繞的單鏈DNA進(jìn)行配對(duì)，以此檢測(cè)序列是否同源。在這一過(guò)程中，RAD51單鏈DNA復(fù)合物一旦搜尋到同源雙鏈DNA，單鏈DNA便會(huì)與同源雙鏈中的一條鏈完成匹配，并將原雙鏈中的另一條鏈置換出去。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)之為同源重組修復(fù)中的鏈交換，是整個(gè)修復(fù)過(guò)程的核心所在。同樣的鏈交換過(guò)程也會(huì)在真核細(xì)胞的減數(shù)分裂時(shí)期影響姐妹染色單體之間互換遺傳信息。在整個(gè)過(guò)程中，ATP與RAD51-DNA復(fù)合體的結(jié)合而非水解起到了關(guān)鍵作用，這一特性從大腸桿菌，酵母細(xì)胞再到人類(lèi)，都十分保守。然而，目前依然缺乏相應(yīng)的結(jié)構(gòu)證據(jù)揭示鏈交換過(guò)程的分子機(jī)制。
該研究通過(guò)冷凍電子顯微鏡單顆粒重構(gòu)的方法首次解析了鏈交換之前的RAD51-單鏈DNA與交換之后產(chǎn)物RAD51-雙鏈DNA的兩個(gè)復(fù)合物的近原子分辨率結(jié)構(gòu)，分辨率分別達(dá)到4.4埃和4.5埃。RAD51-DNA的復(fù)合物結(jié)構(gòu)闡明了人源RAD51與DNA磷酸骨架的結(jié)合方式并驗(yàn)證了這種結(jié)合造成DNA分子拉伸，以及三個(gè)相鄰堿基與一個(gè)RAD51單體結(jié)合的規(guī)律，腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）結(jié)合在兩個(gè)相鄰的RAD51單體的相互作用界面上。同時(shí)，本工作利用特殊設(shè)計(jì)的DNA序列及自主開(kāi)發(fā)的算法，首次獲得了鏈交換過(guò)程中的重要中間態(tài)結(jié)構(gòu)，即同源雙鏈被捕捉至RAD51-單鏈復(fù)合體尚未解離的狀態(tài)。根據(jù)此結(jié)構(gòu)推測(cè)出此前文獻(xiàn)報(bào)道的第二結(jié)合位點(diǎn)可能會(huì)幫助置換鏈的解離并離開(kāi)復(fù)合物，促進(jìn)同源重組的完成，這一結(jié)論也與之前的相關(guān)生化數(shù)據(jù)一致。以此為基礎(chǔ)，文中提出了RAD51介導(dǎo)同源DNA鏈交換過(guò)程的模型，為理解真核細(xì)胞中同源重組相關(guān)的工作機(jī)理提供了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
圖a和b分別為RAD51-單鏈DNA 鏈交換前復(fù)合物（presynaptic complex）以及RAD51-雙鏈DNA鏈交換后復(fù)合物（postsynaptic complex）。圖c為捕獲到的鏈交換中間態(tài)，綠色的密度推測(cè)為被RAD51-單鏈DNA復(fù)合物捕捉到尚未離開(kāi)的雙鏈DNA。圖d為基于本文結(jié)構(gòu)模型提出的RAD51在介導(dǎo)同源DNA之間鏈交換的作用機(jī)制。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王宏偉教授和美國(guó)耶魯大學(xué)帕特里克·宋（Patrick Sung）教授為本工作共同通訊作者，清華大學(xué)生命聯(lián)合中心2012級(jí)博士研究生徐靜斐和北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心卓越學(xué)者趙玲云博士，耶魯大學(xué)博士后徐元元和趙衛(wèi)星為本文的共同第一作者。該工作的冷凍電鏡數(shù)據(jù)采集均在國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)設(shè)施（北京）的清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)完成，數(shù)據(jù)處理在國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)設(shè)施（北京）清華大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)完成。冷凍電鏡平臺(tái)主管雷建林博士，徐艷姬博士，生命學(xué)院李雪明研究員及計(jì)算平臺(tái)楊濤博士在數(shù)據(jù)收集及數(shù)據(jù)處理方面給予了很大幫助。本工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市自然科學(xué)基金委、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心等的經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：http://www.nature.com/nsmb/journal/vaop/ncurrent/full/nsmb.3336.html
供稿：生命學(xué)院 編輯：田心
