冷冻电镜解析人类MutSβ多构象状态揭示ATP/ADP结合与异源双链DNA识别的分子机制

本研究通过冷冻电镜技术解析了人类DNA错配修复关键蛋白MutSβ的九种高分辨率构象，揭示了其在ATP/ADP结合和(CAG)2异源双链DNA识别过程中的动态构象变化。研究发现MutSβ通过构象转换实现从DNA扫描到滑动钳状态的转变，为亨廷顿舞蹈症等三核苷酸重复疾病的治疗靶点开发提供了结构基础。

　　

DNA错配修复（MMR）系统是维持基因组稳定的重要机制，其功能异常与癌症和神经退行性疾病密切相关。在亨廷顿舞蹈症（HD）中，MSH3基因编码的MutSβ蛋白被证实可加速HTT基因CAG三核苷酸重复的体细胞扩增，成为疾病修饰的关键靶点。然而，MutSβ如何通过构象变化耦合核苷酸交换与DNA识别的分子机制尚未阐明，这严重限制了靶向药物的开发。

由Proteros生物结构公司和CHDI基金会组成的研究团队在《Nucleic Acids Research》发表重要成果，通过冷冻电镜首次捕获了人类MutSβ的九种功能状态结构。研究采用昆虫细胞表达系统制备全长MSH2-MSH3异源二聚体，结合表面等离子共振（SPR）、荧光共振能量转移（FRET）和微尺度热泳动（MST）等技术，系统分析了蛋白与不同DNA底物的相互作用。冷冻电镜数据采集在配备Falcon IV探测器的Glacios电镜完成，最终获得3.0-7.1 ?分辨率的结构模型。

DNA-free MutSβ呈现不对称钳状构象
冷冻电镜结构（PDB 8OM5）显示，ADP结合的apo状态MutSβ呈现"蝴蝶结"样开放构象，MSH2钳结构域向内弯曲95°形成不对称结构。两个ATP酶结构域保持伪二重对称，但MSH3的N端结构域因柔性未被解析。该构象为理解蛋白初始DNA结合状态提供了模板。

异源双链DNA诱导多态性结合模式
在(CAG)₂插入环DNA存在时，研究捕获到三种结合状态：经典错配结合构象（PDB 8OLX）中MSH3 Tyr254和Lys255插入DNA导致67°弯曲；两种新型开放构象（PDB 8OM9和8RZ7）分别呈现MSH2钳结构域上翻和下折状态。值得注意的是，所有DNA结合构象中MSH2均保持ADP结合，而MSH3位点核苷酸状态存在差异。

ATP驱动滑动钳形成
加入ATP后，MutSβ与1.8 kb同源双链质粒DNA形成滑动钳复合物（EMD-16975），MSH2连接域发生180°旋转将DNA定位在中央通道。61 bp同源DNA结合结构（PDB 8OMA）进一步显示，ATP结合诱导ATP酶结构域闭合，特征螺旋与γ-磷酸相互作用稳定了紧凑构象。FRET实验证实ATP可促使蛋白从错配DNA解离。

核苷酸类似物验证构象转换机制
ATPγS处理获得的无DNA结构（PDB 8RZ8/8RZ9）显示，MSH2钳结构域存在直链（3.06 ?）和弯曲（3.02 ?）两种形态。MST测定显示ATPγS结合亲和力（K_d=0.39-50 nM）显著高于AMP-PNP，解释了后者难以诱导构象转变的原因。

该研究首次完整描绘了MutSβ从DNA识别到修复起始的构象变化轨迹：ADP结合态扫描DNA→低亲和力错配捕获→高亲和力结合→ATP驱动滑动钳形成。这一发现不仅完善了MMR机制的理论框架，更重要的是为开发靶向MSH3的小分子抑制剂提供了精确结构指导。通过调控MutSβ的ATP酶活性或DNA结合界面，有望延缓亨廷顿舞蹈症等三核苷酸重复疾病的病理进程，为这类目前无法治愈的神经退行性疾病带来新的治疗策略。