近日，劍橋大學(xué)研究團隊在《Elife》期刊發(fā)表的最新研究揭示了人類(lèi)細胞中關(guān)鍵DNA修復途徑——同源重組（HR）核心步驟鏈交換的詳細結構機制。該研究提供了令人信服的證據，闡明了DNA修復的核心執行者RAD51絲狀體如何精確促進(jìn)含有同源（即相同或相似）序列的DNA分子之間的鏈交換。這些發(fā)現對于研究DNA修復和基因組穩定性的科學(xué)界具有重要價(jià)值。

HR是細胞內關(guān)鍵的DNA修復途徑之一，負責修復DNA中的雙鏈斷裂以及在有性繁殖過(guò)程中的DNA交叉事件。此外，缺乏HR的細胞更容易發(fā)生異常增殖或基因組不穩定，而通過(guò)針對細胞HR機制與其他DNA修復途徑的聯(lián)合使用，可以實(shí)現對特定細胞的針對性處理。

HR的一個(gè)特點(diǎn)是能夠以高度準確的方式修復DNA損傷。在真核細胞中，HR由一種名為RAD51的酶負責，它在損傷位置與單鏈DNA結合，并形成核蛋白絲狀體。該絲狀體通過(guò)“侵入”姐妹染色單體或同源染色體，進(jìn)行物理搜索，以找到互補序列。一旦找到正確的序列，絲狀體會(huì )形成一個(gè)穩定的三鏈結構，稱(chēng)為位移環(huán)（D環(huán)），而“鏈交換”的過(guò)程則發(fā)生在這個(gè)結構中，但現在對這一最后步驟的機制理解仍然有限。

“我們獲取了一種冷凍電鏡結構，捕捉到人類(lèi)RAD51與斷裂DNA緊密結合的狀態(tài)，”共同第一作者、 劍橋大學(xué)病理學(xué)與生物化學(xué)部顯微鏡經(jīng)理Luay Joudeh表示。“這一結構首次揭示了在同源重組過(guò)程中鏈交換機理的基礎。”

圖片鏈接：https://www.eurekalert.org/multimedia/1075193

圖片信息：與斷裂 DNA 緊密結合的人 RAD51 的置換環(huán) （D-LOOP） 結構可視化

研究團隊收集了數千個(gè)D環(huán)樣品的影像，以便能夠通過(guò)超過(guò)10萬(wàn)個(gè)D環(huán)顆粒的單個(gè)圖像構建出最終的3D結構。這個(gè)結構揭示了HR組件在鏈交換過(guò)程中的位置。

“我們發(fā)現，為了搜索用于修復的互補序列，RAD51首先通過(guò)插入物理間隔物來(lái)解開(kāi)供體DNA的雙螺旋，以分離未編織的鏈，”資深作者、劍橋大學(xué)生物化學(xué)系的結構生物學(xué)教授Luca Pellegrini說(shuō)道。這些物理間隔物被稱(chēng)為L2環(huán)，每次插入都會(huì )暴露出三個(gè)DNA核苷酸的堿基，從而使侵入鏈能夠配對，探查同源性。

他補充說(shuō)：“我們觀(guān)察到一個(gè)有趣的現象，在D環(huán)結構的一端，RAD51的L2環(huán)會(huì )顯著(zhù)打開(kāi)供體DNA，但在D環(huán)的另一端，它們的作用則比較有限。這表明在D環(huán)形成的過(guò)程中存在一種偏向性，并且L2環(huán)具有內在的靈活性，使其在與目標DNA接口的不同位置表現出不同的行為。”

研究團隊意外發(fā)現，侵入鏈與供體DNA的整個(gè)互補序列結合，只有一個(gè)可用的堿基對未被配對。他們推測，在HR過(guò)程中，DNA的解開(kāi)增加了兩個(gè)核苷酸之間的距離，阻礙了它們的配對。在互補序列的另一端，侵入鏈與供體鏈之間的一個(gè)單核苷酸錯配表明，D環(huán)形成有時(shí)能夠容忍序列上的差異。

最后，冷凍電鏡結構揭示了交換鏈被捕獲在RAD51復合物內的一個(gè)通道中，從而促進(jìn)其移除。并且還能夠識別出創(chuàng )造這一通道的RAD51的具體成分及其在DNA鏈上的位置。

“這些發(fā)現共同構建了一個(gè)HR模型，其中RAD51結合將斷裂的DNA引導到一個(gè)位置，使物理間隔物（L2環(huán)）能夠分離鏈、捕獲交換鏈并促進(jìn)鏈交換，”共同第一作者、劍橋大學(xué)生物化學(xué)系的博士生Robert Appleby解釋道。

“我們的RAD51 D環(huán)結構為真核生物同源重組的生化反應提供了基礎性見(jiàn)解，”Luca Pellegrini表示。“我們相信這些見(jiàn)解將對研究DNA修復過(guò)程在不同領(lǐng)域的作用，以及在設計能夠修復或干預這些機制的研究中有所幫助。”

期刊：Elife

DOI：10.7554/eLife.107114.1