清华大学生科院院长最新Nature子刊文章：DNA同源重组的新发现

今年4月，清华大学博士生导师王宏伟教授接替施一公教授，成为生命科学学院院长。王教授主要从事冷冻电子显微学研究，利用这一技术分析生物大分子复合体的结构与分子机理。12月12日，其研究组在Nature Structural & Molecular Biology杂志上公布了最新研究成果：获得了人RAD51-DNA复合物的近原子分辨率结构，这对于解析DNA同源重组过程中的分子机制具有重要意义。

　　

生物通报道：今年4月，清华大学博士生导师王宏伟教授接替施一公教授，成为生命科学学院院长（施一公不再担任清华大学生科院院长）。王教授主要从事冷冻电子显微学研究，利用这一技术分析生物大分子复合体的结构与分子机理。12月12日，其研究组在Nature Structural & Molecular Biology杂志上公布了最新研究成果：获得了人RAD51-DNA复合物的近原子分辨率结构，这对于解析DNA同源重组过程中的分子机制具有重要意义。

在真核细胞中，非同源末端连接(NHEJ)和同源重组（HR）是介导DSB修复的两个重要信号通路。其中HR利用了姐妹染色单体中的同源序列作为模板来引导修复合成及恢复染色体完整性，是一种无错误的DSB修复机制。

研究显示，真核生物中同源重组的一个关键步骤在于一种称为Rad51重组酶，这种蛋白发挥着链转移或链交换活性，启动DNA同源配对的作用，即在单链DNA（ssDNA）上组装，生成螺旋纤维搜索同源双链DNA（dsDNA），从而在最初的单链DNA与互补链之间形成新的配对碱基。关于这个过程，还存在许多未解之谜。

在这篇文章中，研究人员利用冷冻电镜cryo-EM技术获取了突触前和突触后人RAD51-DNA复合物的近原子分辨率结构，这对于解析DNA同源重组过程中的分子机制具有重要意义。

从这一结构中，研究人员发现了人RAD51-DNA复合物与相应原核生物复合物的相同与不同的结构特征，其中特别值得注意的是这一研究也捕获了突触复合物结构，从而为了解同源搜索，DNA链交换过程提出了新的见解。

冷冻电镜技术对于结构生物学的发展具有重要意义，1995年，Richard Henderson曾作过一个大胆的预测：在理想条件下，用冷冻电镜cryo-EM检测蛋白结构，应该可以达到3 Å的分辨率。其后这个预言很快就实现了。2013年发表的两项冷冻电镜研究就采用了新型检测设备，将cryo-EM的分辨率推向极限。在此之后这一技术领域的不少成果不断涌现。

今年7月，王宏伟教授课题组还利用这一技术析了酵母Exo-Ski7的RNA-free和RNA-bound两种构象的4.2埃和5.8埃的三维结构，并通过观察一系列RNA结合状态的Exosome复合体的结构差异揭示了RNA底物介导的Exosome复合物构象转化过程中发挥关键作用的结构元件。

研究人员结合生化数据，揭示Ski7和Rrp6与十亚基Exosome复合物结合的竞争性关系，提出Exosome复合物在不同亚细胞结构选择不同RNA底物进行降解的可能机制。
（生物通：张迪）

作者简介：
王宏伟 博士
教授，博士生导师

1992-1996 清华大学生物科学与技术系，学士
1996-2001 清华大学生物科学与技术系，博士
2001-2006 美国劳伦斯伯克利国家实验室生命科学部，博士后
2006-2008 美国劳伦斯伯克利国家实验室生命科学部，研究科学家
2009-2011 美国耶鲁大学分子生物物理与生物化学系，Tenure-Track助理教授
2010.12-至今 清华大学生命科学学院，教授、博导

主要科研领域和研究方向
冷冻电子显微学研究生物大分子复合体的结构与分子机理。主要研究方向如下：

1. 细胞骨架与生物膜系统相互作用的结构及分子机制；

2. RNA代谢途径中的大分子复合物的结构与分子机理；

3. 冷冻电子显微学结构解析新方法的开发与应用。

原文摘要：
Cryo-EM structures of human RAD51 recombinase filaments during catalysis of DNA-strand exchange

The central step in eukaryotic homologous recombination (HR) is ATP-dependent DNA-strand exchange mediated by the Rad51 recombinase. In this process, Rad51 assembles on single-stranded DNA (ssDNA) and generates a helical filament that is able to search for and invade homologous double-stranded DNA (dsDNA), thus leading to strand separation and formation of new base pairs between the initiating ssDNA and the complementary strand within the duplex. Here, we used cryo-EM to solve the structures of human RAD51 in complex with DNA molecules, in presynaptic and postsynaptic states, at near-atomic resolution. Our structures reveal both conserved and distinct structural features of the human RAD51–DNA complexes compared with their prokaryotic counterpart. Notably, we also captured the structure of an arrested synaptic complex. Our results provide new insight into the molecular mechanisms of the DNA homology search and strand-exchange processes.