人类RECQ1解旋酶中翼状螺旋结构域与芳香环富集环的高效协同促进ATP酶域重构及DNA解链机制研究

本研究揭示了人类RECQ1解旋酶中翼状螺旋结构域(WH)与芳香环富集环(ARL)的协同作用机制。通过在锌结合域和WH域间插入柔性连接肽(GGGGSGGGGS)，研究人员成功诱导了ATP酶域的结构重构，显著提高了DNA结合与解链效率。晶体结构分析首次证明β-发夹尖端与ARL距离的缩短可优化底物识别，为理解RecQ家族解旋酶的通用工作机制提供了重要线索。该成果发表于《Nucleic Acids Research》，为基因组稳定性维持机制研究开辟了新视角。

　　

在维持基因组稳定的复杂机制中，RecQ家族解旋酶扮演着至关重要的角色。这些分子机器能够解旋各种特殊DNA结构，包括双链、三链、四链乃至分支结构，堪称细胞内的"DNA结构修复师"。然而长久以来，科学家们发现一个有趣现象：虽然人类RECQ1与大肠杆菌RecQ具有相似的结构组成，但两者的底物选择性和解链效率却存在显著差异。这种差异背后的结构基础是什么？为什么细菌RecQ能通过明显的构象变化适应不同DNA底物，而人类RECQ1却显得相对"僵化"？这些问题一直困扰着研究人员。

印度理工学院卡拉普尔分校的研究团队通过巧妙的蛋白质工程和结构生物学方法，揭开了这一谜题的关键部分。他们发现人类RECQ1中翼状螺旋结构域(WH)与芳香环富集环(ARL)之间的空间关系是决定解链效率的核心因素。通过插入柔性连接肽诱导域间距离改变，研究人员成功"激活"了RECQ1的潜在能力，使其获得了对平端双链DNA等非典型底物的解链能力。这项突破性研究发表在《Nucleic Acids Research》上，为理解RecQ家族解旋酶的工作机制提供了全新视角。

研究团队主要采用了以下关键技术方法：(1)分子动力学模拟预测域间距离变化；(2)蛋白质工程构建含柔性连接肽的RECQ1变体(RECQ1^T1Lk
)；(3)X射线晶体学解析DNA复合物结构(分辨率2.43 ?)；(4)荧光各向异性测定DNA结合亲和力；(5)稳态ATP酶活性分析；(6)位点定向突变验证关键残基功能。

研究结果部分包含以下重要发现：

1. MD模拟预测柔性连接肽诱导域运动
   通过0.5 μs的分子动力学模拟发现，在锌结合域和WH域间插入(GGGGSGGGGS)连接肽可使β-发夹尖端(Y574)与ARL(W227)距离从33.4 ?缩短至27.1 ?。主成分分析显示WH域产生5.9 ?位移，而野生型RECQ1^T1
   的WH域保持固定。

2. 柔性连接肽改变底物选择性与解链活性
   工程化RECQ1^T1Lk
   对3'突出双链DNA的解链效率显著提高(1.25 nM时解链70%，野生型需4.5 nM解链50%)。更惊人的是，RECQ1^T1Lk
   获得了对平端双链DNA(20/20 mer)的解链能力(80 nM时解链80%)，而野生型最高仅达50%。

3. 核苷酸协同的DNA结合增强
   荧光各向异性实验显示，在非水解ATP类似物ADPNP存在下，RECQ1^T1Lk
   对短尾双链(4碱基突出)的结合亲和力提高3倍(K_d
   从0.34 μM降至97 nM)，而野生型无此协同效应。

4. 晶体结构揭示域重排与ATP酶域重构
   2.43 ?分辨率的晶体结构(PDB 8YRS)显示，RECQ1^T1Lk
   形成更紧凑的二聚体，WH域内移2.6 ?，D1域内移2.2 ?。ATP结合裂隙体积从2383.7 ?³
   (野生型)缩减至1181.5 ?³
   ，催化残基K119与E220距离从6.5 ?缩短至4.1 ?。

5. ARL突变验证域间协调机制
   双突变体RECQ1^T1Lk2A
   (D230A/R232A)虽ATP酶活性降低，但仍保留对平端双链的解链能力(500 nM时35%)，而野生型对应突变体完全失活。这表明柔性连接肽诱导的域间距离缩短可部分补偿ARL功能缺失。

这项研究得出了几个重要结论：首先，WH域与ARL间的距离(33-37 ?)是RecQ解旋酶的"分子标尺"，决定其底物选择性和解链效率；其次，通过蛋白质工程可调控这一距离，从而改变酶的功能特性；最后，ATP酶域的重构需要WH域与ARL的高效协同，这种协同作用可能是所有RecQ解旋酶的共性机制。

该研究的理论意义在于首次阐明了人类RECQ1中域间距离与功能活性的定量关系，打破了"刚性结构"的传统认知。实践上，为设计具有特定底物偏好的工程化解旋酶提供了新思路，对开发针对基因组不稳定相关疾病的治疗策略具有潜在价值。特别是发现平端双链DNA的可解旋性，拓展了对RecQ家族功能多样性的理解，为后续研究开辟了新方向。