跳舞DNA：Rad51如何选择完美的伴侣

东京工业大学伊瓦西卡基教授旨在了解有关一种称为同源重组的生物学过程，这对维持DNA的完整性至关重要。他的实验室的研究意味着我们可以了解有关该过程的更多信息和称为RAD51的关键蛋白质。对这种复杂机制的了解增加可以转化为人体中的DNA修复过程。

每天，DNA，蛋白和其他分子都会参与我们身体的复杂舞蹈和仪式的音乐会。他们改变并分享伙伴，常规和阶段，所有人都能保持细胞和生物体功能，并保持基因组完整性。其中一个舞蹈称为同源重组。在减数分裂（生殖卵或精子细胞的细胞分裂）中，它认为一个供体的染色体的连杆臂与另一种和交换材料产生遗传多样性;在有丝分裂（每种细胞类型的细胞分裂）中，它有助于保持遗传信息的完整性。

然而，这种重组和修复机制，如果没有恰当地发挥作用，也会以一种更险恶的方式表现出来，产生癌症突变和基因组重排。学习这种复杂舞蹈的步骤和演员可以帮助研究人员了解哪里和如何出错，同时突出潜在的药物靶点。现在，东京工业大学(Tokyo Institute of Technology)教授岩崎浩(Hiroshi Iwasaki)和他的团队正在努力将这些碎片拼凑起来。

DNA修复
DNA自然存在于交织的两个股线。DNA存储所有已知生物的运作，生长和繁殖所需的遗传指示。每条DNA由由字母A，C，G和T表示的四种品种的构建块组成。两条DNA链是互补的，这意味着当A存在于一条股线上时，另一条股T;当C在一条股线上存在时，另一条链具有G.负责用T和C的配对的潜在化学物质与G具有G，是将两条DNA括起来。沿着股线的这些构建块的顺序称为DNA的序列。诸如染色体的DNA分子通常含有数百万这些结构块，其被分组为数百个基因，每个基因通常包括成千上万的构建块。基因编码蛋白质，其是负责所有细胞活性的分子。每个基因的正确序列对于生产完全运作的蛋白质至关重要。当序列改变时，例如通过替换另一个构建块（即突变） - 例如，成为G - 所得蛋白质是功能障碍。

每次细胞分裂时，它必须首先复制所有的DNA(即基因组)，以便新细胞也携带其功能所需的遗传指令。这个过程被称为DNA复制，是突变的一个主要来源，因为它涉及一个接一个地复制每个构建块。除了这些突变，更严重的DNA损伤形式是单链断裂或双链断裂。当两条DNA链都断裂时，DNA分子实际上就会分裂成两条，这意味着一条染色体变成了两条异常染色体。这种断裂在DNA复制过程中经常发生，但是一个被称为同源重组的过程能够修复它们。

同源重组促进了两个不同DNA分子间遗传信息的重组。

但即使是修复此类休息的努力也会出错。错误或未加以检查的同源重组可导致有害的变化，例如具有与尝试修复的损坏相似或更差的后果的染色体易位，缺失和倒置。当突变积聚时，并且断裂的修复变得效率低下，则据说基因组是不稳定的。这些破坏性事件在具有不稳定基因组的细胞中更频繁地发生，导致生命所必需的遗传指令进一步恶化。这种细胞通常变得癌变，并且增加了遗传变化对该疾病的刺激。

为什么有些人更容易受到基因组不稳定性的破坏性影响？在许多情况下，涉及生产性同源重组的基因中存在突变，导致患有患有更高癌症风险的疾病。另外，已显示BRCA1和BRCA2基因中的家族性突变降低同源重组的效率，并且继承这种突变基因的人具有高风险的乳腺癌和卵巢癌。

然而，这也意味着存在用于治疗癌症的这种修复机制的范围。早期研究表明，这些在同源重组中的这些缺陷可能被利用以阻止某些类型肿瘤的生长。由于DNA复制需要同源重组，因此DNA复制本身是细胞分裂的先决条件，能够完全灭活癌细胞中的同源重组可能被证明是停留与肿瘤生长相关的不受控制细胞分裂的有效策略。

同源重组101.
每个人体内有数万亿个细胞。一天之内，单个人类细胞的DNA就会遭受成千上万次的损伤。如果不进行修复，这些损伤会导致基因功能障碍或基因复制不准确，导致细胞死亡或经过几代细胞后基因恶化，最终导致癌症。幸运的是，细胞有大量的修复工具和过程，包括同源重组。

同源重组有助于两个具有非常相似(或同源)序列的不同DNA分子之间的遗传信息改组。它可以用来促进DNA双链断裂的无错误修复，以及它在细胞减数分裂类型中的作用。它是一种普遍的机制，适用于病毒、细菌、酵母和多细胞生物(如动物和植物细胞)。

在同源重组过程中,蛋白质被称为“Rad51”人类和其他真核生物结合生成单链DNA (ssDNA)——通过一个剧团的解旋酶和核酸酶解除DNA双链断裂或复制叉的通道损坏网站,搜索完整的双链DNA (dsDNA)序列相似性。一旦它发现了与受损部位序列高度相似的DNA片段，ssDNA就会侵入dsDNA并置换其非互补链，从而产生新的“异重链”。侵入的基因链会根据它的互补模板被拉长，让细胞恢复“丢失的”遗传信息。侵入的链就可以被释放出来，与原始链重新结合，或者与被置换的链永久交换伙伴。这种舞蹈在减数分裂过程中同样发生，细胞的DNA与供体的DNA纠缠在一起，创造出一套独特的、安全的、有功能的基因。

我们已经知道，在同源重组过程中，Rad51在寻找伴侣DNA中发挥着重要作用，但这一过程的确切机制尚未完全了解。Iwasaki教授和他的同事们的研究旨在揭示同源重组的潜在机制的新信息。

同源重组思想：深潜力
在如此多的依赖于同源重组的情况下，理解它的编舞和关键演员是至关重要的。将它们绘制出来可以帮助研究人员了解舞蹈在哪里以及如何出错，并可能揭示新的生物标志物和抗癌药物靶点。知道了这一点，Iwasaki教授和他的团队开始研究Rad51与单链和双链DNA的关系，并追踪它们的步骤。

同源重组是一把双刃剑:它对防止基因组不稳定至关重要，但如果调控失调，也有可能彻底破坏基因组的稳定。

学习的烦恼
以前破译Rad51的分子功能的尝试集中于生物化学测定，其中Rad51蛋白纯化并与试管中纯化的单链和双链DNA混合。然后，通过监测RAD51如何结合每种类型的DNA，已经可以评估RAD51的活性。这些方法已经为RAD51活动提供了许多根本的见解。Iwasaki教授的团队利用一种名为荧光共振能量转移或褶皱的过程，这使得它们可以直接在溶液中可视化同源重组的步骤。重要的是，这允许它们检测在重组过程中发生的不稳定和瞬态的中间体，以前的方法不可能。褶皱通过将能量从供体分子转移到受体分子来工作。供体分子发射荧光，可以检测。然而，当受体分子与供体分子紧密接近时，从受体被受体淬火时大大减少了来自供体分子的荧光。这种能量转移可用于计算两个DNA分子之间的距离的变化。

之前的生化和结构分析表明，所有的rad51家族蛋白都非常相似，无论它们来自细菌、酵母、老鼠、植物还是人类。至关重要的是，它们都有两个DNA结合位点(位点I和位点II)，每个位点负责持有单链或双链DNA。位点I还含有两个结合环(L1和L2)。科学家们曾怀疑位点I的L1和L2环以及位点II在同源重组过程中发挥了不同的作用，但多年来人们一直未能理解这些差异。该团队使用突变型的酵母Rad51，使用基于fret的方法来检查这一过程。

他们的研究表明，DNA断裂引发的舞蹈随着位点II的两个氨基酸Arg-324和Lys-334通过“手”抓取ssDNA并形成一个蛋白质-DNA复合物而开始。L1 - Arg-257中的氨基酸将dsDNA诱导到底端。广泛的同源性可以看到L1和L2的氨基酸依次插入DNA，形成“C2”。同时，位点II保持被置换的ssDNA的稳定，这进一步促进了这一过程。

本质上，有一个三步模型;首先，形成一个三链的DNA中间体，然后这个中间体成熟，最后从成熟的中间体中释放出ssDNA。更多地了解辅助因子的作用和Rad51的调控有助于揭示肿瘤发育过程中基因组不稳定性的原因。

大结局
Iwasaki教授的研究为我们提供了一个综合的DNA修复过程实验室模型，探讨了RAD51在DNA Strand交换舞蹈中的关键作用，以前在技术上挑战的东西。扩展和增强可用于探索同源重组的技术的曲目意味着该研究领域可以提前。特别是，它开辟了使用衍生自其他物种的蛋白质的研究的可能性。

事实上，尽管同源重组是用酵母蛋白绘制的，但生物体之间的高度保守性和相似性意味着研究人员的图谱可以应用于人类。还需要进一步的研究来发现这些发现是否确实在进化上跨物种保守。