研究人员解决了在DNA修复中重要的BRCA2蛋白复合物的结构问题

BRCA2的首字母可能是与许多乳腺癌相关的基因，BRCA2基因编码的蛋白质对修复DNA断裂至关重要。这种相互作用的破坏是许多癌症的标志。现在，科学家已经确定了一种由两种蛋白质组成的复合物的结构——BRCA2和MEILB2——这种复合物可以使正在进行细胞分裂的细胞有效地进行修复，称为减数分裂。他们的研究结果对癌症和不孕症有重大影响。

　　

这种相互作用的破坏是许多癌症的特征。现在，密歇根大学的科学家们已经确定了由两种蛋白质(BRCA2和MEILB2)组成的复合物的结构，这种复合物可以让正在进行细胞分裂(称为减数分裂)的细胞有效地进行修复。他们的研究结果发表在《自然结构与分子生物学》杂志上，对癌症和不孕症具有重大意义。

研究作者、U-M结构生物学家Jayakrishnan Nandakumar表示:“我们知道，关于癌症中BRCA2突变的文献是如何丰富的，但我们现在的发现表明，BRCA2的meilb2结合区域可能是发现与不孕相关突变的热点。”和发育生物学。

在生殖细胞(产生精子或卵子的细胞)中，每条染色体在细胞减数分裂前都会发生DNA断裂。这些突变确保了基因的混合，从而创造遗传多样性，而不是父母的精确复制。在减数分裂中，每个生殖细胞分裂两次，这样每个卵子或精子最终只剩下每条染色体的一个副本。然后当卵子和精子相遇时，胚胎就有了正确数量的染色体对。

在第一次分裂发生之前，生殖细胞中的染色体紧密配对，然后一对中的每一条染色体断裂，与伴侣的染色体碎片重新结合，在一个称为交叉的过程中交换基因。然后所有这些DNA断裂需要迅速重新连接。

想想三明治，南达库玛解释道。这个“小面包”由四种完全相同的MEILB2蛋白质副本组成，顶部和底部分别是两种BRCA2蛋白质。MEILB2蛋白三明治携带BRCA2蛋白精确地到达DNA断点。

为了确定这个BRCA2复合体的结构，研究人员使用了x射线晶体学。在这个过程中，蛋白质晶体受到x射线的轰击，当x射线偏离晶体中的原子时产生的模式使研究人员能够确定分子的三维结构中每个原子的位置。这将帮助他们弄清楚BRCA2蛋白是如何与MEILB2蛋白连接的。

第一步是培育BRCA2复合体的晶体。经过多次试验和错误，南达库玛实验室的化学生物学研究生德文·彭德尔伯里成功地结晶出了BRCA2复合体的人类形态。幸运的是，密歇根大学的研究人员能够在2020年3月所有研究停止之前的几天在阿贡国家实验室收集数据。

通过x射线晶体学数据和MCDB研究生Ritvija Agrawal的额外实验，该团队确定了蛋白质复合物的结构以及两种蛋白质如何一起工作。他们报告说，这是一种不寻常的蛋白质相互作用。

为了验证他们的发现，他们基于BRCA2和MEILB2的结构创造了突变版本，并展示了这些突变体如何无法相互形成这种复合物。

为了进一步验证MEILB2-BRCA2复合体结构，瑞典哥德堡大学的合作者在进行减数分裂的小鼠细胞中引入了相同的突变版本。突变体BRCA2或MEILB2无法到达需要重新连接的DNA断裂处。

Nandakumar说:“虽然我们知道BRCA2是减数分裂中DNA重组的必要条件，但我们不知道它如何能够有效地完成这项关键工作。”“作为修复复合体的一部分，MEILB2应该只存在于经历减数分裂的细胞中，但MEILB2也在几种癌症中被发现。这可能是MEILB2非常有效地‘劫持’了癌细胞中的BRCA2，阻止了DNA的适当修复。”

如果没有减数分裂细胞中通常存在的其他因素，这些meilb2阳性癌症中的BRCA2可能无法到达DNA断点。Nandakumar表示，掌握了这种复合物的结构，研究人员现在可能会找到在meilb2阳性癌症中恢复BRCA2功能的新方法。

合著者包括哥德堡大学化学和分子生物学系的助理教授Hiroki Shibuya。

Journal Reference:

1. Devon F. Pendlebury, Jingjing Zhang, Ritvija Agrawal, Hiroki Shibuya, Jayakrishnan Nandakumar. Structure of a meiosis-specific complex central to BRCA2 localization at recombination sites. Nature Structural & Molecular Biology, 2021; 28 (8): 671 DOI: 10.1038/s41594-021-00635-0