DNA修复蛋白的意外结构可能导致新的癌症治疗方法

爱荷华大学领导的一项研究揭示了DNA修复蛋白RAD52在结合和保护分裂细胞中的复制DNA时所采用的意想不到的结构。对RAD52-DNA复合物的这种新的结构和机制理解可能有助于研究人员开发新的抗癌药物

这项研究发表在《自然》杂志上

UI Carver医学院生物化学和分子生物学教授、这项新研究的资深作者Maria Spies博士解释说：“RAD52是治疗具有DNA修复缺陷的癌症的令人垂涎的药物靶点，包括乳腺癌和卵巢癌，以及一些胶质母细胞瘤。”

“这种蛋白质是新型抗癌药物的一个有吸引力的靶点，因为尽管它在健康的人类细胞中是可有可无的，但RAD52对于缺乏DNA修复功能的癌症细胞的生存至关重要，如BRCA1和BRCA2基因缺陷的细胞。”

DNA修复缺陷的癌症依赖于其他蛋白质为DNA修复提供备用途径，这使癌症细胞能够快速增殖并在DNA损伤的情况下存活。RAD52就是其中一种蛋白质。这意味着阻断RAD52并阻止其发挥作用的分子可能有助于治疗这些类型的癌症

已经表明，RAD52抑制剂可以选择性地杀死癌细胞，并最大限度地减少与放疗和化疗相关的毒性。这种能力类似于第一批被批准靶向BRCA1/2缺陷型癌症的药物的作用，即所谓的PARP（聚ADP核糖聚合酶）抑制剂，目前已投入临床使用。虽然近15%接受PARP抑制剂奥拉帕尼治疗的患者在五年多的时间里没有患病，但许多患者在第一年内就产生了耐药性

Spies说：“靶向RAD52（独立于PARP抑制或与PARP抑制一起）将增加可用疗法的种类。”。“然而，要开发抑制癌症细胞中RAD52的药物，我们首先需要了解RAD52在分子、结构和细胞水平上的功能。”

一种新的形状揭示了药物治疗的可能靶点

RAD52在正常人体细胞中似乎可有可无，但对经历DNA修复缺陷的癌症细胞的生存至关重要，这一事实既带来了优势，也带来了挑战。其优点是抑制RAD52可以杀死癌症细胞，而对患者健康细胞的负面影响最小。挑战在于弄清楚RAD52的哪些功能和特性应该成为目标

在这项新研究中，Spies和她的UI团队——与意大利罗马Istituto Superiore di Sanità的分子医学教授Pietro Pichierri博士和UI药学院的药物发现和实验疗法教授M.Ashley Spies博士合作——发现了RAD52的结构和功能信息，这可能有助于他们开发新的、特定的方法来抑制这种蛋白质

Spies和Pichierri之前发现，RAD52在保护停滞的DNA复制叉方面很重要。他们的工作表明，RAD52的这种新功能有助于癌症细胞的存活

在这项新研究中，Spies的团队使用低温电子显微镜（CryoEM）表明，RAD52蛋白形成了一种意想不到的卷轴状结构，由两个RAD52环组成，每个环含有11个蛋白质拷贝，与“DNA复制叉”的所有三个臂接合，重新排列叉结构，并保护其免受过度降解

为了获得这张图像，研究小组创造了一种类似于停滞的DNA复制叉的DNA底物。该底物通过将两个环与所有三个DNA臂结合在一起，将RAD52复合物固定在适当的位置。单链和双链DNA特征都与RAD52相互作用，并将结构固定在适当的位置，使团队能够获得整个蛋白质-DNA复合物的详细3D结构

使用Spies实验室内置的专用显微镜，研究人员还能够在单分子水平上监测RAD52-DNA交易，揭示了叉保护是通过动态蛋白质-DNA相互作用发生的

Spies说：“尽管之前已经观察到了单环结构，但这是第一个在DNA上显示两个环在一起的结构，做了一些意想不到的事情。”。“这种新结构提供了有关蛋白质哪些重要区域可以作为未来药物发现靶点的线索。”

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针对RAD52开发新的癌症药物

Spies的团队已经有了结合和抑制RAD52的小分子，但要将这些分子开发成可测试的药物，必须对其进行进一步提炼和修饰，使其更有效、更具特异性

Spies实验室的结构和生物物理研究结果得到了M.Ashley Spies的计算研究以及罗马Pichierri小组的基于细胞和超分辨率成像的补充。总之，实验室的努力揭示了双环RAD52结构对其作为DNA复制看门人的能力以及对癌症细胞生存的重要性

Spies说：“这项工作和我们在这项研究中获得的结构-活性知识为理解RAD52的活性和调控奠定了未来的工作基础，并为其抑制提供了新的靶点。”。“希望这些信息能帮助我们开发这种蛋白质的新抑制剂，并挖掘RAD52作为抗癌药物靶点的潜力。”

除了Maria Spies、Pichierri和Ashley Spies之外，研究团队还包括共同的主要作者Masayoshi Honda博士和Mortezaali（Ali）Razzagi博士，他们都是Spies UI实验室的研究科学家。此外，Spies还感谢UI蛋白质和晶体学核心的现任和前任主任Nick Schnicker博士和Lokesh Gakhar博士的专业知识，帮助他们开始了RAD52的结构研究