王宏偉研究組合作在線發(fā)文揭示DNA同源重組分子機制
清華新聞網(wǎng)12月15日電 12月12日，清華大學生命科學學院王宏偉課題組合作在《自然結(jié)構(gòu)和分子生物學》（Nature Structural & Molecular Biology）雜志在線發(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形成的復合體的近原子分辨率結(jié)構(gòu)，并初步闡述了在真核細胞的同源重組過程中，RAD51介導鏈交換過程的作用機制。
在真核生物細胞內(nèi)，雙鏈DNA遭受紫外線或某些化學物質(zhì)的傷害而產(chǎn)生斷裂之后，會啟動DNA修復途徑。同源重組是其中一項非常重要的修復機制。人源重組酶RAD51會被招募并包繞在斷裂之后經(jīng)過酶復合物剪切產(chǎn)生的單鏈DNA上，呈現(xiàn)規(guī)則有序的螺旋結(jié)構(gòu)。此復合體會在附近尋找并捕獲雙鏈DNA，使其與被包繞的單鏈DNA進行配對，以此檢測序列是否同源。在這一過程中，RAD51單鏈DNA復合物一旦搜尋到同源雙鏈DNA，單鏈DNA便會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。這個過程稱之為同源重組修復中的鏈交換，是整個修復過程的核心所在。同樣的鏈交換過程也會在真核細胞的減數(shù)分裂時期影響姐妹染色單體之間互換遺傳信息。在整個過程中，ATP與RAD51-DNA復合體的結(jié)合而非水解起到了關(guān)鍵作用，這一特性從大腸桿菌，酵母細胞再到人類，都十分保守。然而，目前依然缺乏相應的結(jié)構(gòu)證據(jù)揭示鏈交換過程的分子機制。
該研究通過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的兩個復合物的近原子分辨率結(jié)構(gòu)，分辨率分別達到4.4埃和4.5埃。RAD51-DNA的復合物結(jié)構(gòu)闡明了人源RAD51與DNA磷酸骨架的結(jié)合方式并驗證了這種結(jié)合造成DNA分子拉伸，以及三個相鄰堿基與一個RAD51單體結(jié)合的規(guī)律，腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）結(jié)合在兩個相鄰的RAD51單體的相互作用界面上。同時，本工作利用特殊設(shè)計的DNA序列及自主開發(fā)的算法，首次獲得了鏈交換過程中的重要中間態(tài)結(jié)構(gòu)，即同源雙鏈被捕捉至RAD51-單鏈復合體尚未解離的狀態(tài)。根據(jù)此結(jié)構(gòu)推測出此前文獻報道的第二結(jié)合位點可能會幫助置換鏈的解離并離開復合物，促進同源重組的完成，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介導同源DNA鏈交換過程的模型，為理解真核細胞中同源重組相關(guān)的工作機理提供了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
圖a和b分別為RAD51-單鏈DNA 鏈交換前復合物（presynaptic complex）以及RAD51-雙鏈DNA鏈交換后復合物（postsynaptic complex）。圖c為捕獲到的鏈交換中間態(tài)，綠色的密度推測為被RAD51-單鏈DNA復合物捕捉到尚未離開的雙鏈DNA。圖d為基于本文結(jié)構(gòu)模型提出的RAD51在介導同源DNA之間鏈交換的作用機制。
清華大學生命科學學院王宏偉教授和美國耶魯大學帕特里克·宋（Patrick Sung）教授為本工作共同通訊作者，清華大學生命聯(lián)合中心2012級博士研究生徐靜斐和北京市結(jié)構(gòu)生物學高精尖創(chuàng)新中心卓越學者趙玲云博士，耶魯大學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)采集均在國家蛋白質(zhì)科學設(shè)施（北京）的清華大學冷凍電鏡平臺完成，數(shù)據(jù)處理在國家蛋白質(zhì)科學設(shè)施（北京）清華大學高性能計算平臺完成。冷凍電鏡平臺主管雷建林博士，徐艷姬博士，生命學院李雪明研究員及計算平臺楊濤博士在數(shù)據(jù)收集及數(shù)據(jù)處理方面給予了很大幫助。本工作獲得國家自然科學基金委、科技部重點研發(fā)計劃、北京市自然科學基金委、清華-北大生命科學聯(lián)合中心、北京市結(jié)構(gòu)生物學高精尖創(chuàng)新中心等的經(jīng)費支持。
論文鏈接：http://www.nature.com/nsmb/journal/vaop/ncurrent/full/nsmb.3336.html
供稿：生命學院 編輯：田心
