酿酒酵母Mre11-Rad50复合体结构解析揭示DNA损伤修复新机制

本研究通过3.2?冷冻电镜技术解析了酿酒酵母Mre11-Rad50(MR)复合体与双链DNA(dsDNA)结合的闭合构象结构，揭示了Rad50卷曲螺旋结构域通过长距离调控ATP水解的新机制。研究人员通过系统性突变分析鉴定了Rad50关键残基K192/K195/K196在DNA结合与ATP酶活性中的核心作用，并发现其突变体rad50-3KA可通过P168S等位基因突变恢复ATP水解功能。该研究为理解真核生物DNA双链断裂(DSB)修复中MRN复合体的构象变化提供了结构基础，发表于《Nature Communications》。

　　

在生命活动中，DNA双链断裂(DSB)是最致命的损伤类型之一。Mre11-Rad50-Nbs1(MRN)复合体作为DNA损伤应答(DDR)的核心传感器，其功能缺陷会导致基因组不稳定甚至癌症发生。尽管已知该复合体通过ATP依赖的构象变化调控DNA末端处理，但关于其卷曲螺旋结构域如何远程调控ATP水解的机制仍是未解之谜。

美国纪念斯隆-凯特琳癌症中心(MSKCC)的研究团队通过冷冻电镜技术首次解析了酿酒酵母Mre11-Rad50(MR)复合体与dsDNA结合的3.2?结构。研究发现Rad50的卷曲螺旋通过"分子拉链"机制环绕DNA，而K192/K195/K196残基组成的"3K模块"在动态旋转中短暂接触DNA。通过分子动力学(MD)模拟和遗传学分析，团队发现rad50-3KA突变体虽保留DNA结合能力，但ATP酶活性降低至Rad50-E1235Q突变体水平，导致减数分裂中Spo11切除缺陷和端粒缩短。引人注目的是，位于Walker A结构域的P168S突变可恢复ATP水解活性，揭示卷曲螺旋与催化中心的远程通讯机制。

研究采用三大关键技术：1) 冷冻电镜解析MR-dsDNA复合体结构；2) 分子动力学模拟分析Rad50构象变化；3) 酿酒酵母遗传筛选鉴定rad50-3KA抑制突变。通过构建Rad50-E1235Q水解缺陷型突变体获得稳定复合体，使用83-mer dsDNA底物进行结构解析。

结构特征揭示DNA结合模式

冷冻电镜结构显示18bp dsDNA被Rad50二聚体形成的碱性通道包裹，K60插入DNA小沟，而R1201等残基与磷酸骨架形成氢键。与古菌Rad50不同，真核Rad50通过β-发夹结构动态接触DNA，该区域在DNA结合后发生构象变化。

关键界面决定复合体稳定性

Rad50-E1155/D1167/E1243与Mre11形成保守盐桥，突变后导致温度依赖性卡铂(CPT)敏感。Mre11的HTH(helix-turn-helix)结构域通过D1126与Rad50卷曲螺旋相互作用，该界面破坏会完全瓦解MR复合体。

3K模块调控ATP酶活性

MD模拟显示Rad50卷曲螺旋进行顺时针旋转，使K192/K196短暂接触DNA。rad50-3KA突变体虽保留DNA结合能力，但ATP酶活性降低50%，导致减数分裂中无法切除Spo11-DNA加合物。抑制突变P168S通过稳定催化中心D1234/E1235/Q158的空间构象恢复水解活性。

讨论与意义

该研究首次揭示真核MR复合体闭合构象的结构特征，阐明卷曲螺旋通过"分子杠杆"机制调控远端ATP酶活性的新范式。发现Rad50的3K模块作为构象变化传感器，其突变与人类肿瘤发生相关（MSK-IMPACT数据库记录24例）。研究为理解ATM/Tel1激酶激活机制提供新视角，并为开发靶向MRN复合体的抗癌药物奠定基础。特别值得注意的是，长达68.6nm的Rad50卷曲螺旋可能通过反式相互作用实现姐妹染色单体桥接，这为解释其在DSB修复中的长距离调控功能提供了结构线索。