Dynamic Conformations of the P. furiosus MR-DNA Complex: Unveiling the Secrets of DNA Repair

　　为解决目前对核心 MR 复合物构象理解不全面的问题，研究人员开展了嗜热古菌（P. furiosus）MR 与 DNA 结合构象及功能相关性的研究。结果发现 MR-DNA 复合物高度动态，Mre11 核酸酶活性与 Rad50 的 ATP 水解存在关联。这为研究 DNA 修复机制奠定了基础。

为了促进科学的传播，生物通采集了这篇文章，如需英文原文，请点击！订阅BioHot索取原文

　　在生命的微观世界里，DNA 就像是一本记载着生命密码的珍贵书籍，然而，这本 “书” 却时常会遭遇各种 “损坏”。DNA 双链断裂（DSBs）便是其中一种严重的 “损坏” 情况，它可由外源性因素如电离辐射、放射模拟药物引发，更常见的是由内源性过程，像流产的拓扑异构酶反应、发夹裂解以及复制叉坍塌等导致。为了修复这些 “破损”，细胞进化出了两种主要的修复途径：非同源末端连接（NHEJ）和同源重组（HR）。而在这两种关键的修复机制中，Mre11-Rad50（MR）复合物起着核心作用，它是基因组稳定性的重要守护者123。

欢迎索取锐博生物外泌体测序完全解决方案领 取

尽管科学家们一直致力于探索 MR 复合物的奥秘，运用了各种结构生物学技术来解析 Mre11 和 Rad50 的结构与功能关系，也获得了众多相关结构，但目前对 MR 复合物的结构 - 功能关系以及其酶活性的相互作用仍缺乏清晰连贯的描述。正是在这样的背景下，来自美国明尼苏达大学和德克萨斯理工大学的研究人员开展了一项极具意义的研究3415。

研究人员以嗜热古菌（P. furiosus）的 MR 复合物为研究对象，采用基于侧链甲基的核磁共振（NMR）实验和刚体对接技术，深入探究了 200kDa 的 MR 复合物在溶液中与双链 DNA（dsDNA）损伤模拟物的结合方式。他们通过一系列严谨的实验，成功确定了与 DNA 结合的 MR 复合物的多种不同构象，并利用定点突变技术对这些结构进行验证，最终发现 Mre11 核酸酶活性与 Rad50 的 DNA 刺激的 ATP 水解之间存在着意想不到的紧密关联。该研究成果发表在《Communications Biology》上，为深入理解 MR 复合物在 DNA 修复中的作用机制提供了重要依据56。

在这项研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是核磁共振（NMR）技术，通过对 NMR 化学位移扰动（CSPs）和顺磁弛豫增强（PREs）数据的分析，获取了 MR-DNA 复合物的相关信息；其次利用刚体对接计算，借助 High-Ambiguity Driven DOCKing（HADDOCK）v2.4 网络服务器构建了 MR-DNA 复合物的结构模型；此外，还采用定点突变技术，对 MR 复合物中与 DNA 结合相关的关键残基进行突变，进而研究这些突变对复合物功能的影响61019。

广告 【大小鼠常见临床症状】最新指南一键下载

下面来看具体的研究结果：

• 溶液中 MR^NBD复合物的多种 dsDNA 结合构象：研究人员对嗜热古菌（P. furiosus）的 Mre11 与 Rad50 的截短构建体（Rad50^NBD）形成的复合物进行 NMR 研究。通过添加代表断裂 dsDNA 底物的发夹 DNA，发现 Mre11 和 Rad50 标记的 MR^NBD复合物在结合 DNA 后呈现出不同的化学位移变化（CSPs）。Mre11 的 CSPs 出现在核酸酶结构域顶部和封端结构域核心，Rad50^NBD的 CSPs 则分布在 NBD 的 “顶部”“底部” 以及卷曲螺旋区域。这些结果表明，dsDNA 与 MR^NBD在溶液中以多种构象结合，且存在不同的结合亲和力789。
• MR^NBD-dsDNA 复合物的集合：利用 CSP 和 PRE 数据，研究人员通过 HADDOCK 构建了 MR^NBD与 dsDNA 结合的结构模型。结果显示，封闭构象的模型与现有晶体结构相似，开放构象中 dsDNA 的 3'- 端与 Mre11 的活性位点残基相互作用，部分开放构象中 DNA 的结合方式又有所不同。这些模型揭示了 MR^NBD与 dsDNA 结合的多种方式，进一步证实了复合物的动态特性111213。
• MR-DNA 模型揭示 Mre11 和 Rad50 活性的相互依赖性：研究人员对靠近 DNA 的多个带正电残基进行电荷反转突变，并测试突变体的体外活性。结果发现，突变体对 MR 与 dsDNA 的结合、核酸酶活性以及 ATP 水解活性均产生了不同影响。例如，部分开放 / 开放构象的突变体中，Rad50 的某些突变降低了核酸酶活性，而 Mre11 的一些突变则增加了核酸酶活性；在 ATP 水解方面，情况则相反。这些结果验证了 MR-DNA 相互作用对 MR 复合物功能的重要性1416。

研究结论和讨论部分指出，本研究通过 NMR 实验表征了 MR^NBD的构象交换，确定了无 ATP 情况下与 dsDNA 结合的 MR 复合物的动态集合模型，并通过定点突变验证了这些模型。研究发现 dsDNA 刺激的 Rad50 ATP 水解活性与 Mre11 核酸酶活性之间存在强相关性，支持了之前提出的 MR 活性模型。这一研究为理解 MR 复合物在 DNA 双链断裂修复中的作用机制提供了关键信息，也为后续进一步研究 MR 复合物的功能以及开发相关治疗策略奠定了坚实基础，有助于深入探究基因组稳定性的维持机制，对生命科学和健康医学领域具有重要意义1718。

打赏

下载安捷伦电子书《通过细胞代谢揭示新的药物靶点》探索如何通过代谢分析促进您的药物发现研究

10x Genomics新品Visium HD 开启单细胞分辨率的全转录组空间分析！

欢迎下载Twist《不断变化的CRISPR筛选格局》电子书

单细胞测序入门大讲堂 - 深入了解从第一个单细胞实验设计到数据质控与可视化解析

下载《细胞内蛋白质互作分析方法电子书》