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爱荷华大学领导的一项研究揭示了DNA修复蛋白RAD52在分裂细胞中结合和保护复制DNA时所采用的意想不到的结构。这种对RAD52-DNA复合物结构和机制的新认识可能有助于研究人员开发新的抗癌药物。
爱荷华大学领导的一项研究揭示了DNA修复蛋白RAD52在分裂细胞中结合和保护复制DNA时所采用的意想不到的结构。这种对RAD52-DNA复合物结构和机制的新认识可能有助于研究人员开发新的抗癌药物。
“RAD52是一种令人垂涎的药物靶点，用于治疗DNA修复缺陷的癌症，包括乳腺癌和卵巢癌，以及一些胶质母细胞瘤，”UI Carver医学院生物化学和分子生物学教授Maria Spies博士解释说，她是这项新研究的高级作者，该研究于4月2日发表在《自然》杂志上。
“这种蛋白质是新的抗癌药物的一个有吸引力的目标，因为尽管它在健康的人类细胞中是必不可少的，但RAD52对于缺乏DNA修复功能的癌细胞（例如BRCA1和BRCA2基因缺陷的癌细胞）的生存是必不可少的。”
具有DNA修复缺陷的癌症依赖于其他蛋白质为DNA修复提供备用途径，这使得癌细胞能够快速增殖并在DNA损伤的情况下存活。RAD52就是其中一种蛋白质。这意味着阻断RAD52并阻止其发挥作用的分子可能对治疗这些类型的癌症有用。
已经有研究表明，RAD52抑制剂可以选择性地杀死癌细胞，并将与放疗和化疗相关的毒性降到最低。这种能力类似于首批被批准用于靶向BRCA1/2缺陷癌症的药物，即所谓的PARP（聚adp核糖聚合酶）抑制剂，目前正在临床使用。虽然接受PARP抑制剂奥拉帕尼治疗的患者中有近15%的患者在5年以上的时间内保持无病状态，但许多患者在第一年就出现了耐药性。
“靶向RAD52（独立于PARP抑制或与PARP抑制一起）将增加可用的治疗方案，”Spies说。“然而，为了开发能够抑制癌细胞中RAD52的药物，我们首先需要了解RAD52在分子、结构和细胞水平上的功能。”
一种新的形状揭示了药物治疗的可能目标
事实上，RAD52在正常人类细胞中似乎是可有可无的，但对于经历DNA修复缺陷的癌细胞的生存却是必不可少的，这既是一种优势，也是一种挑战。其优点是，抑制RAD52可以杀死癌细胞，同时对患者的健康细胞产生最小的负面影响。挑战在于弄清楚RAD52的哪些功能和特性应该成为目标。
在这项新研究中，Spies和她的UI团队与意大利罗马高等卫生学院分子医学教授Pietro Pichierri博士和UI药学院药物发现和实验治疗学教授M. Ashley Spies博士合作，发现了有关RAD52的结构和功能信息，这些信息可能有助于他们开发新的特定方法来抑制这种蛋白质。
双环结构保护DNA
Spies和Pichierri先前已经发现RAD52在保护停滞的DNA复制分叉中很重要。他们的研究表明，RAD52的这种新功能促进了癌细胞的存活。
在这项新研究中，Spies的团队使用低温电子显微镜（CryoEM）显示RAD52蛋白质形成了一个意想不到的线轴状结构，由RAD52的两个环组成，每个环含有11个拷贝的蛋白质，它连接“DNA复制叉”的所有三个臂，重新排列叉结构，并保护它免受过度降解。
为了获得这幅图像，研究小组创造了一个DNA底物，它类似于一个停滞的DNA复制叉。底物通过将两个环与所有三个DNA臂结合在一起来固定RAD52复合体。单链和双链DNA特征都与RAD52相互作用，并将结构固定在适当的位置，使团队能够获得整个蛋白质-DNA复合物的详细3D结构。
利用斯Spies实验室内置的专用显微镜，研究人员还能够在单分子水平上监测RAD52-DNA的交易，揭示分叉保护是通过动态蛋白质- dna相互作用发生的。
Spies说：“虽然以前已经观察到单环结构，但这是第一次在DNA上显示两个环在一起，做一些意想不到的事情。”“这种新结构为蛋白质的哪些重要区域可以成为未来药物发现的目标提供了线索。”
以RAD52为靶点，研发新的抗癌药物
Spies的团队已经有了结合和抑制RAD52的小分子，但要将这些分子开发成可测试的药物，还需要进一步改进和修饰，使它们更有效、更特异。
Spies实验室的结构和生物物理工作的结果得到了阿什利·斯皮斯的计算研究和罗马皮切里小组的基于细胞和超分辨率成像的补充。总之，实验室的努力揭示了双环RAD52结构对其作为DNA复制守门人的能力和癌细胞存活的重要性。
“这项工作和我们在这项研究中获得的结构-活性知识为了解RAD52的活性和调控奠定了基础，并为其抑制提供了新的靶点，”Spies说。“希望这些信息能帮助我们开发出这种蛋白质的新抑制剂，并挖掘RAD52作为抗癌药物靶点的潜力。”
The RAD52 double-ring remodels replication forks restricting fork reversal
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