Nature | DNA的急救队长RAD52：一次生命的拯救行动

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在我们的身体里，每时每刻都有一个微观的战场，细胞的DNA面临着各种各样的攻击：从紫外线到化学物质，这些攻击若不加以阻止，可能会带来致命的遗传信息错误。好在我们的细胞并非无助，它们拥有强大的“修复队伍”。在这支队伍中，有一位不可或缺的英雄——RAD52。

RAD52是一个擅长处理紧急DNA破损的专家，尤其是在DNA双链断裂这种生物学危机中展现出其关键作用。它的超能力在于快速而精确地将断裂的DNA两端重新连接，这一过程称为同源重组修复。而且，RAD52不仅仅是个孤胆英雄，它还能与其他蛋白如复制蛋白A (RPA) 形成超级联盟¹，共同保护我们的遗传蓝图。

想象一下，如果没有RAD52，我们的细胞就像是没有了防护盾的勇士，随时可能倒下。但当它存在时，即使在癌症等严峻挑战面前，RAD52也能够提供强大的防线。现在，科学家们正试图将这种超能力转化为治疗武器，尤其是在对同源重组缺陷的抗乳腺癌、卵巢癌和前列腺癌的战斗中^2,3。

2024年4月24日，英国弗朗西斯·克里克研究所Stephen C. West实验室在Nature期刊上发表了题为“Mechanism of single-stranded DNA annealing by RAD52–RPA complex”的论文。在这篇文章里，我们将一起深入探索RAD52的神秘力量，了解它是如何在我们体内的DNA修复战场上扮演关键角色的。跟随我们的步伐，揭开生命科学中的一段激动人心的旅程！

研究者首先表达并纯化了RAD52，有趣的是，RAD52就像变形金刚一样，展现出两个截然不同的形态：开放环和闭合环。通过冷冻电子显微镜，研究者揭示了这两种形态的秘密。开放环好似一座没有封顶的圆形要塞，有些地方敞开，给单链DNA一个完美的栖息地。而闭合环则像一个精密的环形堡垒，严丝合缝，展示了完整的11个亚基的排列。在DNA世界里，开放环对待单链DNA就像吸铁石一样，表现出极高的亲和力；但对双链DNA却充耳不闻。此外，研究者还在单链DNA退火测试中引入了复制蛋白A (RPA)，RAD52的开放环就像是得到了超能力的加持，退火能力大增。而那些闭合环的表现就平淡许多，不受RPA的影响。

图1. 开放环代表RAD52的活性状态

研究者成功解析了RAD52的两种神秘面貌——闭合环 (RAD52-CR) 和开放环 (RAD52-OR) 的结构，分辨率分别达到了2.9 Å和3.2 Å。闭合环严丝合缝，由11个亚基紧密连接，就像是一圈坚固的城墙。而开放环通常由最多十个亚基组成，你会看到它们的“城墙”有缺口，部分亚基似乎在忙着别的重要任务！

图2. RAD52开放环和闭合环的冷冻电镜结构

研究者进一步探究，发现了一段隐秘的故事——单链DNA结合域 (DBD)的故事。这个区域在早先的观察研究中总是“玩失踪”，因为它在未与DNA结合前非常灵活，正是这种灵活性让RAD52能够快速而牢固地与DNA结合。当研究者解析出与单链DNA结合的RAD52开放环的2.3Å结构后，一切变得清晰：DNA就像被电磁吸引一样，被稳定在RAD52的正电荷槽中。更神奇的是，研究者发现每个RAD52亚基能够精确地与四个DNA核苷酸配对，展现出一种优美的对称性。

图3. RAD52-单链DNA复合物的冷冻电镜结构

此外，为了揭开了RAD52变形的秘密，研究者惊奇地发现这种变化与蛋白的浓度相关，但与DNA的结合无关。更有趣的是，尽管RAD52的C末端看起来有些杂乱无序，它却是RAD52进行“社交活动”的关键部分，负责与RPA进行互动。对RAD52进一步突变实验表明，在删除RPA互作域 (RID) 或C末端后，闭合环的比例有所增加。鉴于RID域和C端都带有正电荷，而在开环位置暴露的RAD52亚基的N端带有负电荷，这一结果说明RAD52的这些部分通过静电相互作用，防止自己“闭关锁国”。

在探索DNA修复的过程中，研究者提出了两种退火模型：一种是两个RAD52-ssDNA复合体之间的互动，另一种是RAD52-ssDNA复合体与裸露或RPA包裹的ssDNA之间的作用。实验发现，当RAD52过多时，会抑制退火过程，就像分子世界的舞会，舞伴太多反而会让舞池变得拥挤，阻碍了优雅的舞步。因此，第二种模型更为可靠。

而在探索RAD52如何与DNA和RPA一起舞蹈的过程中，研究者发现开放环的RAD52与DNA和RPA形成的舞伴关系更加稳定，而闭合环的RAD52则不太愿意加入这场舞会。研究者进一步解析了RAD52--ssDNA -RPA复合物的结构，揭示了RPA如何将ssDNA递交给RAD52，好像在说，“接住，这是给你的！” 

图4. RAD52介导的退火机制

研究者通过交联质谱揭示了RAD52的特定区域如DNA结合域 (DBD) 和C末端与RPA如何巧妙配合，确保单链DNA能从RPA顺利传递到RAD52，就像接力棒在跑道上顺畅交接一样。此外，研究者还发现，当删除RAD52中的某些关键区域会显著影响这一接力过程，特别是当RPA在场时，某些突变体表现出了与野生型不同的退火活性，这提示了RPA对于确保DNA正确退火的重要性。

图5. RAD52的RID与RPA2的WHD之间的相互作用对SSA至关重要

在本文对RAD52的最新研究中，研究者不仅揭示了其与ssDNA和RPA的复杂舞蹈，还揭开了DNA退火机制的神秘面纱。想象一下，RAD52就像一个有技巧的魔术师，在DNA的微观世界中巧妙地操控着单链和双链DNA的变换。

特别地，研究者提出了一个新的SSA模型，这个模型认为DNA退火可能涉及RAD52-ssDNA与由RPA结合的互补ssDNA之间的直接互动，而非仅通过两个RAD52环之间的相互作用。这些发现不仅展示了RAD52和RPA如何在分子层面上进行精确的动态配合，还揭示了生命科学中DNA修复的深层机制。通过这些高科技的探索，我们不仅得以窥见细胞如何维持其遗传信息的完整性，还能感受到科学在解读生命奥秘方面的无限魅力。更为重要的是，这项研究提供了针对特定癌症治疗策略的新思路，尤其是在同源重组修复功能缺失的背景下，也展示了科学如何在战斗癌症中开辟新的战场。

供稿 | 肖媛

审稿 | 谭佳鑫

责编 | 囡囡

设计 / 排版 | 可洲 雨萱

微信号：FRCBS-THU

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原文链接

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07347-7

参考文献

参考文献

[1] Sugiyama, T., New, J. H. & Kowalczykowski, S. C. DNA annealing by Rad52 protein is stimulated by specific interaction with the complex of replication protein A and single-stranded DNA. Proc. Natl Acad. Sci. USA 95, 6049–6054 (1998).

[2] Huang, F. et al. Targeting BRCA1- and BRCA2-deficient cells with RAD52 small molecule inhibitors. Nucleic Acids Res. 44, 4189–4199 (2016).

[3] Hengel, S. R. et al. Small-molecule inhibitors identify the RAD52-ssDNA interaction as critical for recovery from replication stress and for survival of BRCA2 deficient cells. eLife 5, e14740 (2016).

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