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吉林大学生命科学学院，吉林大学生命科学学院潘跃博士为该论文的第一作者，吉林大学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)和吉林大学学科交叉创新项目(JLUXKJC2021ZZ01)的资助。
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.129843
