李国辉等揭示基因重组过程中关键酶错配容忍度差异机制

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近日，我所分子模拟与设计研究组（1106组）李国辉研究员团队与清华大学王宏伟教授团队、陈春来教授团队合作，在揭示基因重组过程中关键酶错配容忍度差异机制研究中取得新进展。
　　同源重组是主要的DNA双链断裂修复机制，在真核细胞中主要的重组酶为Rad51和Dmc1。Rad51和Dmc1的序列虽然高度保守，但也存在差异，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时起作用。这种差异可能是由它们在同源重组时错配容忍度决定的，Rad51在同源重组时不允许存在错配，而Dmc1的错配容忍度较高。

　　为了阐明上述错配容忍度差异的分子机理，王宏伟团队通过冷冻电镜技术，解析了处于不同状态下人源Rad51和酵母Dmc1与DNA的复合体结构。基于上述结构信息，李国辉团队进行了系统的分子动力学模拟，发现RAD51的Loop2区域中Val273和Asp274对应于DMC1的Pro274和Gly275在同源重组过程中具有关键作用；RAD51的Loop2上Asp274与Arg235有稳定的相互作用，并且当Asp274突变为Dmc1中对应的Gly后，Arg235的构象发现变化，降低了互补链DNA结合自由能，提高错配容忍度，这也就表明同源重组过程中RAD51的Loop2上的关键残基通过与Loop1上残基的相互作用，在链交换过程中行使错配的校对功能。后续单分子荧光共振能量转移等实验也证实，Val273和Asp274对链交换效率和错配容忍度有一定影响。该工作揭示了基因重组过程中关键酶错配容忍度差异机制。
　　相关成果以“Mechanisms of Distinctive Mismatch Tolerance between Rad51 and Dmc1 in Homologous Recombination”为题，于近日发表在《核酸研究》（Nucleic Acids Research）上。该工作的共同第一作者是清华大学博士后徐静斐、博士后赵玲云、博士生彭思佳、我所1106组副研究员楚慧郢。上述工作得到国家自然科学基金等项目的支持。（文/图 楚慧郢、李国辉）
　　文章链接： https://doi.org/10.1093/nar/gkab1141


       文章来源：大连化物所
       李国辉，男，博士，研究员，1972年生，辽宁沈阳人。1994年毕业于辽宁师范大学物理系，2000年获中科院大连化物所博士学位，毕业于分子反应动力学国家重点实验室。2000年毕业后去美国留学，在美国新墨西哥大学从事分子光谱的精确量子力学计算研究工作，从2001年到2006年先后在威斯康辛大学-麦迪逊分校、哈佛大学医学院从事理论与计算生物学方面的方法学发展和应用方面的研究工作。从2006年3月份开始到2009年3月份应聘回国工作，一直在世界著名生物制药公司Biogen Idec Inc.从事计算生物学方法的发展和小分子药物以及蛋白质药物的研发工作。回国后担任大连化物所研究员、科学院百人计划入选者，现为大连化物所分子反应动力学国家重点实验室分子模拟与设计题目组组长。
       王宏伟，满族，中国共产党党员，清华大学生命科学学院教授，博士生导师。目前担任生命科学学院院长，化学-生物大类首席教授。1992-2001年于清华大学生物科学与技术系先后获学士和博士学位，并在读博士期间担任思想政治辅导员。2001-2008年在美国劳伦斯伯克利国家实验室开展博士后研究，并于2009年被美国耶鲁大学聘为Tenure-Track助理教授。2010年12月全职回到清华大学生命学院任教至今。入选国家“杰出青年”基金，荣获第十一届谈家桢生命科学创新奖，北京市优秀教师、北京市师德榜样等荣誉称号，荣获清华大学优秀共产党员称号，两次荣获清华大学先进工作者称号，连续两次荣获清华大学“良师益友”称号。
         陈春来，清华大学研究员、博士生导师。2003年本科毕业于北京大学化学与分子工程学院，2008年获得北京大学化学生物学博士学位。2008年至2015年在美国宾夕法尼亚大学医学院生理系进行博士后研究。2015年加入清华大学生命科学学院任研究员、独立PI。他的课题组致力于发展新型单分子荧光技术，包括基于全内反射荧光显微镜的单分子荧光共振能量转移（FRET）技术和基于共聚焦荧光显微镜的荧光相关光谱（FCS）技术；并利用单分子技术揭示生物大分子的动态过程以阐明其分子机制。主要研究对象有核糖体、CRISPR-Cas蛋白和液液相分离等。目前已发表论文30余篇，引用次数800余次；获得优秀青年基金等基金委资助。