环境污染等多种外源和内源因素可引起遗传信息载体DNA双链的断裂，而断裂的DNA双链可部分转化为单链DNA。RecA/Rad51家族蛋白可在单链DNA部分组装形成核蛋白丝，并通过快速、准确识别同源双链DNA（dsDNA）模板介导链交换过程，进而实现对DNA双链断裂的同源重组修复。但是，长期困扰人们的是：1）已知的拉伸、欠旋的核蛋白丝结构由于其固有的刚性如何能满足在大量非同源DNA并存且结构复杂的基因组中快速寻找到仅有1-2拷贝的同源DNA序列？2）这种结构主要是通过消除和抑制ATP水解而获得，但是在生理条件下核蛋白丝中的RecA可催化水解ATP，并导致一定的RecA解离。因此，在生理条件下又如何能保证核蛋白丝结构的完整性？
中国科学院生态环境中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室汪海林研究组利用研制的毛细管电泳-激光诱导荧光偏振装置，发展了研究RecA在ssDNA上动态组装的分析新方法，可以快速捕获并分离溶液中形成的各种RecA核蛋白丝组装体。另外，通过独特的设计可防止RecA的解离，因此可在快速分离过程中有效保存已被捕获的RecA核蛋白丝。通过其电泳迁移行为的差异，并可以准确测量其结合计量学。
利用这种新分析方法，他们发现，在生理条件下，RecA在ssDNA上组装主要形成低密度、不饱和的核蛋白丝组装体，其中超过一半的DNA并未结合RecA蛋白，即裸露的。在线荧光偏振分析、电镜成像分析、酶切保护性分析等一致证明了这一结果。体外链交换反应实验表明，低密度、不饱和的核蛋白丝是介导链交换反应的关键组装体；相应地，多个ATP水解活性缺失的RecA突变体仅形成高密度核蛋白丝（缺少裸露的DNA部分）并不能介导链交换反应。为了考察这一机制是否存在于活体内，他们利用绿色荧光蛋白基因和一种稀有的DNA内切酶基因，设计了一套精密的活体同源重组修复报告体系。利用这套活体报告体系，他们发现RecAP67D和P67E体外仅形成低密度、不饱和的核蛋白丝组装体，在活体内可有效地介导同源重组修复。相反地，RecA P67R、P67K和P67Y拥有ATP水解酶活性，但不能形成低密度核蛋白丝组装体，难以介导活体同源重组修复。
该组通过一系列体外和活体实验，证明了介导同源重组修复的核蛋白丝的基本结构是由RecA蛋白通过ATP水解有限组装到单链DNA上形成的不饱和核蛋白丝组装体。这一发现是对传统同源重组修复的关键核蛋白丝组装体基础结构认识的一个重要改变，为深入理解同源重组修复机制提供理论依据。
研究成果在线发表于Cell Discovery（ATPase activity tightly regulates RecAnucleofilaments to promote homologous recombination, doi:10.1038/celldisc.2016.53）。该研究得到了中国科学院先导专项B、国家自然科学基金委的资助。
论文链接:http://www.nature.com/articles/celldisc201653
RecA利用其本身ATP酶水解活性紧密调控RecA在ssDNA上的组装，进而形成多种组装体结构，包括饱和、高密度核蛋白丝、中密度和低密度的不饱和核蛋白丝
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2017年1月21日