同源重组 (HR) 是一种主要的 DNA 双链断裂 (DSB) 修复机制。重组酶 Rad51 和 Dmc1 在 RecA 家族中高度保守； Rad51 主要负责有丝分裂期间体细胞中的 DNA 修复，而 Dmc1 仅在生殖细胞减数分裂期间起作用。这种时空差异可能是由于它们在 HR 期间独特的错配容忍度：Rad51 在存在错配时不允许 HR，而 Dmc1 可以容忍某些错配。
2021年12月6日，清华大学结构生物学高精尖创新中心王宏伟，陈春来及中国科学院大连化学物理研究所李国辉共同通讯在Nucleic Acids Research（IF=17）在线发表题为“Mechanisms of distinctive mismatch tolerance between Rad51 and Dmc1 in homologous recombination”的研究论文，该研究发现Rad51-DNA 和 Dmc1-DNA 复合物的冷冻电镜结构显示这两种蛋白质之间的主要构象差异位于它们的 Loop2 区域，其中包含入侵的单链 DNA (ssDNA) 结合残基和双链 DNA (dsDNA) 互补链结合残基，分别稳定presynaptic和postsynaptic复合物中的 ssDNA 和 dsDNA。
通过结合分子动力学模拟和单分子 FRET 分析，该研究确定了人 RAD51 (hRAD51) Loop2 区域中的 V273 和 D274，对应于人 DMC1 (hDMC1) 的 P274 和 G275，是在 HR 链交换过程中调节错配耐受性的关键残基。这种 HR 准确性控制机制提供了对 Rad51 和 Dmc1 在 DNA 双链断裂修复中的特定作用的机制见解，并可能阐明有丝分裂和减数分裂中基因重组的调控机制。
真核重组酶 Rad51 和 Dmc1 属于 RecA 家族，因此具有许多共同的特性 。Rad51 和 Dmc1 序列在进化上是保守的，Dmc1 与酵母中的 Rad51 大约有 45% 的相同性，与人类中的 Rad51 有 54% 的相同性。两者都是 ATP 酶，需要 ATP 或其不可水解的类似物组装在单链 DNA (ssDNA) 上，作为presynaptic复合物，从而导致在染色体中寻找同源双链 DNA (dsDNA)。定位同源区域后，presynaptic复合物在synaptic反应过程中启动链侵入和交换 。链交换后，由蛋白质包裹的新生同源 dsDNA 被称为postsynaptic复合物，其中还包含置换的 ssDNA 产物。
在真核细胞中，Rad51 主要负责体细胞中姐妹染色单体之间的同源重组 (HR) 以确保基因组完整性，而 Dmc1 在减数分裂期间在生殖系细胞中特异性发挥作用，以重组亲本同源染色质以进行适当的遗传和染色体分割。越来越多的证据表明，由这两种重组酶介导的链交换过程的错配耐受性非常不同。与 Dmc1 更高的错配耐受性相比，由 Rad51 介导的链交换中止，只有一两个错配碱基。最近，发现 Rad51 不仅参与有丝分裂以修复停滞的复制叉，而且作为 Dmc1 的辅助因子参与减数分裂。HR 期间的错配耐受水平是在有丝分裂和减数分裂途径中需要调节的关键参数。
ScDmc1-DNAs 和 hRAD51-DNAs 复合物的冷冻电镜结构（图源自Nucleic Acids Research ）
为了了解 RecA 家族蛋白介导的 HR 机制，过去几年已经解决了 RecA、Rad51 和 Dmc1 不同状态的结构。RecA-DNAs 复合物的结构揭示了相邻的 RecA 原体如何与presynaptic和postsynaptic复合物中的 DNA 相互作用和拉伸。这些相互作用在 hRAD51 中是高度保守的。最近的工作揭示了presynaptic和postsynaptic状态下 hDMC1-DNAs 复合物的结构，它们与 RecA-DNAs 和 hRAD51-DNAs 复合物具有相似的结构。
在这项工作中，使用冷冻电镜来确定处于presynaptic和postsynaptic状态下 hRAD51 和酵母 Dmc1 (ScDmc1)与DNA 的结构。比较它们的不同结构确定了 hRAD51 中的关键残基 V273 和 D274，对应于 Loop2 区域中 hDMC1 的 P274 和 G275。该研究进一步应用单分子荧光共振能量转移 (smFRET) 分析来确定，通过相互交换两个关键残基产生的 hRAD51 和 hDMC1 突变体的功能，并研究它们对链交换效率和错配耐受性的影响。结构和功能分析产生了一个模型，该模型详细阐明了错配耐受的机制，以区分 DNA 链交换过程中两种重组酶的特性和功能。
原文链接：
https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkab1141/6454278
