研究揭示了人类DNA修复过程的复杂分子细节

研究人员揭示了人类细胞中主要DNA修复途径的结构机制。

这项研究今天发表在eLife的《Review Preprint》上，编辑们将其描述为一项具有里程碑意义的研究，其中有令人信服的证据表明，DNA修复中的一个重要参与者——RAD51细丝——如何促进含有同源（相同或相似）序列的DNA分子之间的链交换。他们补充说，这些发现对于研究DNA修复和基因组稳定性的研究界来说非常有价值。同源重组（HR）是细胞中关键的DNA修复途径之一。它对于修复DNA中的双链断裂和有性生殖过程中的DNA交叉事件至关重要。此外，缺乏HR的细胞更容易患癌症，靶向细胞的HR机制以及其他DNA修复途径可用于杀死癌症细胞（一种称为合成致死性的方法）。

HR的一个独特之处在于，它以高度准确的方式修复DNA的损伤。在真核细胞（有核的细胞）中，HR是由一种名为RAD51的酶进行的，该酶在损伤部位与单链DNA结合，形成核蛋白丝。

这条细丝通过“入侵”姐妹染色单体或同源染色体来进行互补序列的物理搜索。一旦找到正确的顺序，细丝就会产生一个稳定的三股结构，称为位移环（或D环），并发生“股交换”过程，但对最后一步的机械理解仍然有限。

“我们获得了一种冷冻电子显微镜结构，可以捕捉与断裂DNA紧密结合的人类Rad51的状态，”共同主要作者、英国剑桥大学病理学和生物化学系显微镜经理Luay Joudeh说，“该结构首次揭示了通过同源重组修复DNA过程中链交换过程的潜在机制。”

该团队首先在实验室中制备了人类Rad51的D环样品，该样品可以使用一种称为冷冻电子显微镜（cryoEM）的强大技术进行可视化。他们收集了数千部D-loop样本的电影，这使他们能够从100000多个物理D-loop粒子的单个图像中构建出最终的3D结构。这种结构揭示了链交换过程中每个HR组件的位置。

“我们发现，为了寻找用于修复的互补序列，RAD51首先通过插入物理间隔物来分离未编织的链，从而解开供体DNA的双螺旋，”剑桥大学生物化学系结构生物学教授、资深作者Luca Pellegrini解释道。

这些物理间隔物被称为L2环，每次插入都会暴露出三个DNA核苷酸的碱基，然后可供入侵链配对，探测同源性。

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Pellegrini继续说道，“我们做的一个有趣的观察是，在D环结构的一端，RAD51的L2环会引起很大的改变，从而打开供体DNA，但在D环的另一端，它们的作用要有限得多。这表明了D环形成过程中的一个优选方向，并表明L2环具有固有的灵活性，使它们能够沿着与靶DNA的界面表现不同。”

该团队的其他令人惊讶的发现包括发现入侵链与供体DNA的整个互补序列结合，除了一个尚未实现的可用碱基对。作者推测，在HR过程中DNA的解旋会增加两个核苷酸之间的距离，从而阻止它们配对。

在互补序列的另一端，入侵链和供体链之间的一个核苷酸错配（不遵循沃森-克里克碱基配对方案的配对）表明，D-环的形成偶尔可以容忍序列的差异。

最后，cryoEM结构显示，交换的链被捕获在RAD51复合物内的通道中，这有助于其去除。他们还能够识别出RAD51中产生这种通道的确切成分，以及它们如何沿着DNA链定位。Appleby解释说：“这些发现共同构成了HR模型的基础，在该模型中，RAD51结合将断裂的DNA引导到物理间隔物（L2环）可以分离链、捕获交换的链并促进链交换的位置。”。Pellegrini说：“我们的RAD51 D-loop结构为真核同源重组的生化反应提供了基本的见解。”。“我们相信，这些见解将有助于研究健康和疾病中的DNA修复过程，以及设计能够修复或阻断癌症等疾病中这些机制的疗法。”