研究人员揭示了人类细胞中主要DNA修复途径的结构机制。
该研究今天以《已审阅预印本》的形式发表在《eLife》上。编辑们称其为具有里程碑意义的研究，并提供了令人信服的证据，说明了在DNA修复中起重要作用的RAD51丝状体如何促进含有同源（相同或相似）序列的DNA分子之间的链交换。他们补充说，这些发现对研究DNA修复和基因组稳定性的科学界非常有价值。
同源重组（HR）是细胞中的关键DNA修复途径之一。它对于修复DNA双链断裂和性繁殖过程中的DNA交叉事件至关重要。此外，HR缺陷的细胞更容易发生癌症，而靶向细胞的HR机制以及其他DNA修复途径可以用于杀死癌细胞（一种称为合成致死的方法）。
HR的一个独特特征是它能够以高度准确的方式修复DNA损伤。在真核细胞（具有细胞核的细胞）中，HR由一种名为RAD51的酶执行，该酶结合到损伤部位的单链DNA上，形成一个核蛋白丝状体。
这个丝状体通过“入侵”姐妹染色单体或同源染色体来物理搜索互补序列。一旦找到正确的序列，丝状体就会创建一个稳定的三链结构，称为置换环（D-loop），并发生“链交换”过程，但这一最后步骤的机制理解仍然有限。
“我们获得了一个人类Rad51紧密结合到断裂DNA上的冷冻电子显微镜结构，”共同第一作者、剑桥大学病理学与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进行DNA修复时链交换过程的机制。”
Joudeh与Robert Appleby共同担任该研究的第一作者，后者在研究时是剑桥大学生物化学系的博士生，现为伦敦弗朗西斯·克里克研究所的博士后研究员。
研究团队首先在实验室中制备了一个可用于冷冻电子显微镜（cryoEM）观察的人类RAD51 D-loop样品。他们收集了数千个D-loop样品的电影，从而从超过10万个物理D-loop颗粒的单个图像中构建出最终的3D结构。该结构揭示了HR组件在链交换过程中的位置。
“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解开供体DNA的双螺旋，从而分离未缠绕的链，”剑桥大学生物化学系结构生物学教授Luca Pellegrini解释道。
这些物理间隔物被称为L2环，每个插入都暴露了三个DNA核苷酸的碱基，从而使入侵链可以配对，探测同源性。
Pellegrini继续说道：“我们在D-loop结构的一端观察到，RAD51的L2环导致供体DNA发生大的改变，但在D-loop的另一端，它们的作用非常有限。这表明D-loop形成过程中存在一个优选的方向，并显示出L2环具有内在的灵活性，使它们能够在与目标DNA的界面上表现出不同的行为。”
团队的其他意外发现包括入侵链与供体DNA的整个互补序列结合，除了一个可用的碱基对未被满足。作者推测，在HR过程中DNA的解旋增加了两个核苷酸之间的距离，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（不符合沃森-克里克碱基配对方案）表明，D-loop形成偶尔可以容忍序列差异。
最后，冷冻电镜结构显示，交换链被捕获在RAD51复合物内的一个通道中，有助于其移除。他们还能够确定RAD51中创建此通道的确切组件及其沿DNA链的位置。
“总之，这些发现构成了一个模型的基础，其中RAD51结合引导断裂DNA进入一个位置，使得物理间隔物（L2环）可以分离链，捕获交换链并促进链交换，”Appleby解释道。
“我们的RAD51 D-loop结构提供了对真核同源重组生化反应的基本见解，”Pellegrini说。“我们认为这些见解将对研究健康和疾病中的DNA修复过程以及设计治疗策略（如癌症）有用。”
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