同源重组（HR）是双链DNA断裂最保真的修复途径，RAD51重组酶已被证明在催化HR中单链DNA（ssDNA）和同源双链DNA（dsDNA）间的同源搜索和链交换中起关键作用【1-3】。此外，RAD51还被证明对于DNA复制过程中重新启动停滞的复制叉而言至关重要，染色体上RAD51的过度表达和积累与肿瘤细胞耐药增加、正常细胞基因组不稳定性增加和细胞凋亡有关【4, 5】。因此，RAD51的活性受到严格调控，如肿瘤抑制因子BRCA2和RAD51旁系同源复合物BCDX2促进RAD51-ssDNA丝的形成和稳定性【3】，FIGNL1（编码AAA+atp酶家族成员）最近被证明在复制叉重启后RAD51的有效解离和抑制超细染色体桥的积累中发挥作用【6, 7】，但详细的调节机制仍不清楚。近日，来自英国弗朗西斯·克里克研究所的Xiaodong Zhang和纪念斯隆凯特琳癌症中心的Maria Jasin团队在Science杂志上发表了文章Molecular basis of FIGNL1 in dissociating RAD51 from DNA and chromatin，他们通过引入不同突变体，对FIGNL1-RAD51复合物进行结构分析和功能测试，揭示了FIGNL1介导RAD51与DNA分离的独特机制，为FIGNL1维持基因组稳定提供了分子基础。敲除FIGNL1对小鼠而言是胚胎致死的，FIGNL1-/-胚胎干细胞（mESCs）也无法在体外存活，于是该团队在FIGNL1+/-mESCs的Rosa26基因座中表达野生型FIGNL1及其突变体。FIGNL1有三个功能域：1)负责定位到DNA损伤位点并于其他蛋白（FIRRM/FLIP）互作的N端结构域，2）RAD51结合结构域，3）AAA+atp酶结构域。他们进行了核酸酶保护试验，即测试RAD51对其包裹的DNA在核酸酶存在条件下的保护作用，若保护减少或消失则意味着RAD51从DNA中分离或重构，并借助负染电镜（NS-EM）可视化这一过程。NS-EM结果显示FIGNL1∆N（保留ATP酶活性和RAD51结合活性的截断体）导致RAD51介导的保护作用以FIGNL1∆N浓度依赖的方式下降，提示FIGNL1∆N可以分解RAD51-DNA丝，若在此基础上引入E501Q突变（破坏ATP水解酶活性），则观察到RAD51与DNA的分解存在严重缺陷，强调了FIGNL1 ATP酶活性的重要性。随后，该团队利用冷冻电镜确定了在ATP和Mg2+存在下FIGNL1∆NE501Q-RAD51复合物的结构，FIGNL1形成非平面六聚体，RAD51的N端被包裹在FIGNL1的六聚体孔中。为探究RAD51 N端的作用，他们构建了N端缺失20个残基的RAD51∆N，仍具备形成核蛋白丝并保护DNA不被核酸酶酶切的能力，但形成的丝却不能被FIGNL1∆N有效破坏。由于一些AAA+蛋白的ATP酶活性会受到它们各自底物的刺激【8】，他们测试了RAD51是否会刺激FIGNL1的ATP酶活性，结果显示RAD51存在时，FIGNL1∆N的ATP酶活性增强，但当RAD51的N端被敲除时，这种增强就消失了，提示RAD51 N端对于FIGNL1的ATPase活性增强及其分解核蛋白丝的能力而言至关重要。图1. ATP/Mg2+存在下FIGNL1-RAD51复合物和FIGNL1 AAA+六聚体的低温电镜结构
综上，这项工作证明FIGNL1 AAA+六聚体可包围RAD51的N端并与之相互作用，在RAD51的刺激下，FIGNL1 的ATP酶活性增强，这对于RAD51从DNA上的分离至关重要，否则会导致RAD51过度荷载甚至细胞死亡，强调了FIGNL1对于维持基因组稳定和细胞活力的重要性。https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr7920制版人：十一
1. P. Baumann, F. E. Benson, S. C. West, Human Rad51 Protein Promotes ATP-Dependent Homologous Pairing and Strand Transfer Reactions In Vitro. Cell 87, 757-766 (1996).2. Y. Sun, T. J. McCorvie, L. A. Yates, X. Zhang, Structural basis of homologous recombination. Cell. Mol. Life Sci.77, 3-18 (2020).3. A. Carver, X. Zhang, Rad51 filament dynamics and its antagonistic modulators. Semin Cell Dev Biol 113, 3-13(2020).4. S. Tye, G. E. Ronson, J. R. Morris, A fork in the road: Where homologous recombination and stalled replication fork protection part ways. Semin Cell Dev Biol 113, 14-26 (2021).5. H. L. Klein, The consequences of Rad51 overexpression for normal and tumor cells. DNA Repair (Amst) 7, 686-693 (2008).6. M. Ito et al., FIGNL1 AAA+ ATPase remodels RAD51 and DMC1 filaments in pre-meiotic DNA replication and meiotic recombination. Nat. Commun. 14, 6857 (2023).7. J. Yuan, J. Chen, FIGNL1-containing protein complex is required for efficient homologous recombination repair. Proc. Natl. Acad. Sci. 110, 10640-10645 (2013).8. C. R. Sandate, A. Szyk, E. A. Zehr, G. C. Lander, A. Roll-Mecak, An allosteric network in spastin couples multiple activities required for microtubule severing. Nat. Struct. Mol. Biol. 26, 671-678 (2019).
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