吕绍武教授、杨朔副教授科研团队深入解析了RecA/Rad51重组酶家族的结构动态和功能调控机制，为理解这些关键蛋白在同源重组中的作用提供了新的视角。研究成果于2024年1月30号在学术期刊《International Journal of Biological Macromolecules》正式发表（Comparative analysis of structural dynamics and allosteric mechanisms of RecA/Rad51 family proteins: Integrated atomistic MD simulation and network-based analysis）。论文第一完成单位为36365线路检测中心入口，36365线路检测中心入口潘跃博士为该论文的第一作者，36365线路检测中心入口吕绍武教授和杨朔副教授为该论文的共同通讯作者。
同源重组在双链断裂修复、停滞复制叉修复和减数分裂中起关键作用。RecA/Rad51家族重组酶催化同源重组过程中发生的DNA链入侵反应。此家族蛋白之间的序列差异较大，但它们通常能够折叠成高度相似的三维结构，并发挥着保守的同源重组活性。然而此家族蛋白动力学机制的分子细节，特别是在残基水平上的机制仍然不清楚，其生物学意义背后的分子水平动态机制尚未得到充分表征。吕绍武教授和杨朔副教授课题组选取了涵盖主要生物界（原核生物、真核生物、古细菌和病毒）的5种具有代表性的RecA/Rad51重组酶家族成员，采用全原子分子动力学模拟、微扰响应扫描和蛋白质结构网络分析等多种技术，系统性地探索了各重组酶突触前丝保守的生物学意义，低序列一致性背后的分子结构和动态行为（图1）。
图1：五种重组酶的序列与结构对比
研究结果揭示了各重组酶蛋白结构区域间保守的协同运动、敏感性和效应性残基分布以及枢纽残基分布等（图2）。动态差异性主要表现在ATP-DNA结合域的通讯路径上，即RecA与UvsX之间的通讯路径密集，而RadA、Rad51和DMC1的通讯路径稀疏（图3）。这可能是因为ATP的结合显著增加了RecA和UvsX对ssDNA的亲和力，而对RadA、Rad51、DMC1的影响较小。课题组后续对UvsX蛋白进行了更深入研究，团队构建了UvsX结合双链DNA的二聚体模型，并在298 K和310 K温度下进行了全原子分子动力学模拟，并以RecA蛋白作为参考。结果表明：在310 K时，RecA和UvsX的单体之间动态互相关性增强，蛋白质更容易达到稳定构象，ATP结合能力也更强。RecA在310 K时与dsDNA的结合自由能剧烈波动，而UvsX在同温度下与dsDNA结合良好。本文的研究结果为RecA/Rad51家族蛋白的功能保守性和独特性提供了分子水平的理解，并为进一步探索RecA和UvsX在dsDNA结合状态下的结构特征和结合特性提供了理论基础。这些发现不仅为探究DNA重组酶的作用机制提供了必要基础，还为蛋白生物工程应用和药物开发提供了新思路。
图2：蛋白骨架柔韧性可视化图。
图3：ATP结合位点与DNA结合位点之间的通讯路径。
a. RecA， b.UvsX， c.RadA， d. Rad51, e. DMC1。
该研究工作得到了国家重点研发计划项目(2022YFF0904000)和36365线路检测中心入口学科交叉创新项目(JLUXKJC2021ZZ01)的资助。
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.129843
