化學系李弘文及生化所冀宏源研究團隊成果刊登於PNAS

減數分裂中DNA同源重組機制的重要突破

DNA同源重組 (Homologous recombination) 是修復DNA雙股斷裂損壞的主要過程,也負責在減數分裂中增加基因的多樣性。同源重組過程的參與酵素,若發生突變,會導致癌症。臺大化學系李弘文老師及生化所冀宏源老師的跨領域研究團隊,結合單分子光學影像及生化技術,深入研究同源重組的分子機轉。他們的最新研究成果,闡明了減數分裂中為何同時需要兩個同源重組酵素的協力工作,為這個領域中困擾已久的觀察現象,提供了有力的分子模型,這個重要的研究結果,最近刊登於「美國國家科學院院刊」(PNAS)。

在減數分裂過程中,透過DNA同源重組,可使兩股具相似序列的DNA發生重排,交換遺傳訊息。DNA同源重組需要許多酵素的調控,若發生不正常的同源重組可能導致染色體相關疾病。在同源重組過程中,DNA經由酵素催化發生雙股斷裂 (DNA double strand break),隨著外切酵素作用使DNA裸露出單股DNA,此時重組酵素結合到單股DNA上,形成核蛋白絲 (nucleoprotein filament),尋找同源染色體進行股交換反應 (stand exchange)。大多數真核生物中存在兩種同源重組酵素Dmc1及Rad51,兩者無論是序列、結構及功能都具有高度相似性,但在減數分裂中,若有其中一個重組酵素的缺失,同源重組就無法進行。是否兩者在同源重組過程有分工或是交互調節的作用?這是減數分裂領域中,一個困擾已久的問題。

在生化實驗的結果中,我們觀察到Dmc1的核蛋白絲與Rad51相比較不穩定,為了回答原因為何,我們設計單分子實驗,利用重組酵素結合至DNA形成核蛋白絲造成DNA延伸的特性,在DNA上標記聚苯乙烯小球,以顯微鏡觀察小球的布朗運動,即時監控單一核蛋白絲的形成動力學。在研究中:(1) 我們發現 Dmc1的成核速率顯著地低於Rad51,原因可能源於較低的DNA親和力。 (2)我們意外找到Dmc1對於單雙股DNA交界的成核偏好性,並進一步觀察到這是一個從酵母菌到老鼠演化上都保留的特性,反應出其重要性。 (3)更重要的是我們發現結合在DNA上的Rad51可以刺激Dmc1成核至DNA。這些研究結果為Dmc1及Rad51兩個重組酵素為何同時出現在減數分裂中,提供了重要的分子層級證據。

一般生化實驗觀察到樣品的平均行為,但是樣品中的分布及反應過程中的細節,也會被平均的量測所掩蓋。單分子實驗,可以直接與即時觀測單一分子的反應過程,了解生化實驗所觀察到的巨觀現象中分子層級的行為,進一步解析其背後隱含的機制。結合生化實驗與單分子光學技術,跨領域的合作能夠更有利於回答生化反應是如何發生。在這個研究中,就是利用單分子所具有的靈敏度與解析度,配合生化實驗觀察到結果,才得以抽絲剝繭,找到研究的突破點。

本篇的兩位共同第一作者藍偉瑄及林聖堯,是化學系的碩士班畢業生。其他的作者包含: 化學系碩士班畢業生張文軒、生化科學所冀宏源教授團隊的高誌遠碩士、葉欣怡博士及張皓衍博士。這份研究工作是由科技部計畫、臺大及中央研究院支持下進行。

PNAS論文全文: https://doi.org/10.1073/pnas.1920368117

生化科學所冀宏源教授:http://ibs.ntu.edu.tw/about/staffDetail/49

化學系李弘文教授:https://www.ch.ntu.edu.tw/member/faculty/hwli/

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