ATP水解驱动的酿酒酵母Rad51和Dmc1核蛋白丝结构转变机制研究

本研究针对同源重组(HR)中ATP依赖的DNA配对关键蛋白Rad51/Dmc1，通过冷冻电镜技术解析了酿酒酵母Rad51和Dmc1在ADP结合状态下的核蛋白丝结构。研究发现ADP结合态会引发核蛋白丝异常延伸（螺旋间距增至132-133?），导致ssDNA结合紊乱和蛋白界面接触减弱，提出了ATP水解通过机械张力促进丝状体解组装的新模型，为理解真核生物重组酶调控机制提供了重要结构基础。

　　

在生命活动中，DNA损伤修复是维持基因组稳定的关键过程。同源重组(Homologous Recombination, HR)作为最精确的修复方式，其核心执行者——Rad51/RecA家族重组酶通过形成核蛋白丝介导DNA链交换。然而长期以来，真核生物中同时存在的有丝分裂重组酶Rad51和减数分裂特异性重组酶Dmc1为何需要分工协作？ATP水解如何调控核蛋白丝动态组装？这些机制问题一直悬而未决。

哥伦比亚大学(Columbia University)的研究团队在《Journal of Biological Chemistry》发表的最新研究，通过冷冻电镜(CryoEM)技术首次解析了酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae) Rad51和Dmc1在ADP结合状态下的高分辨率结构。研究人员采用冷冻电镜单颗粒分析技术，对Rad51/Dmc1与96-mer单链DNA(ssDNA)在ADP存在下形成的核蛋白复合物进行结构解析，其中Rad51数据收集于美国国家癌症研究所冷冻电镜中心，Dmc1数据在哥伦比亚大学医学中心完成采集。

研究结果部分：

1. CryoEM结构显示ADP结合态引发异常延伸
   比较ATP/ADP结合状态发现，ADP使Rad51和Dmc1螺旋间距分别增加33.3%和35.2%（达132-133?），宽度增加约10?。这种延伸与细菌RecA的"压缩失活"模型截然不同，是真核重组酶的独特特征。

2. 核苷酸结合口袋构象重排
   ADP结合导致第二金属离子（Mg²⁺/Ca²⁺）丢失，关键组氨酸残基（Rad51 H352/Dmc1 H289）位移4.8-5.3?，破坏相邻亚基间的变构通讯。

3. 界面相互作用特异性差异
   保守的FxxA聚合基序在两种状态下均保持稳定，但Dmc1特有的S48-R248相互作用在ADP态解离，而Rad51的芳香族残基堆叠（Y112-Y253）始终保持。

4. DNA结合环结构紊乱
   L1环连接的α螺旋13旋转导致跨亚基接触丧失（如Rad51 R308-D289），L2环的ssDNA结合残基（如Dmc1 H285）电子密度消失，表明ADP态DNA结合能力显著减弱。

这项研究提出了突破性的"机械张力模型"：ATP水解后，核蛋白丝异常延伸需将ssDNA磷酸二酯键拉伸至~9.0?（接近单分子力学实验测得的100 pN极限），这种结构冲突与界面接触减弱协同驱动丝状体解组装。该发现不仅解释了真核重组酶与细菌RecA的机制差异，更为理解减数分裂特异性重组调控提供了结构基础。研究揭示的金属离子调控网络和界面相互作用特征，将为开发靶向HR通路的抗癌药物提供新思路。