Rekombinacja homologiczna (HR) to ważny proces, który odgrywa wiele kluczowych ról podczas mejozy, rodzaju cyklu komórkowego przeznaczonego do rozmnażania płciowego. Podczas HR homologiczne cząsteczki DNA wymieniają swój materiał genetyczny. Podczas profazy mejotycznej DNA jest przycinane w całym genomie, tworząc liczne pęknięcia dwuniciowe DNA. Takie pęknięcia DNA przyciągają homologiczne enzymy rekombinacyjne, które sprzyjają parowaniu homologicznych chromosomów.

Dmc1 jest jedną z takich specyficznych dla mejozy rekombinazy u eukariontów (organizmów, które mają wyraźnie określone jądro), która wraz z ogólną rekombinazą Rad51 wiąże się z regionami ssDNA utworzonymi na końcu uszkodzonego DNA i ułatwia proces HR. Zarówno Dmc1, jak i Rad51 preferencyjnie wiążą ssDNA, tworząc spiralną strukturę włókna zwaną włóknem presynaptycznym. Krytyczne dla jego wydajnego funkcjonowania, Swi5-Sfr1 i Hop2-Mnd1 to dwa dodatkowe czynniki, które pomagają w składaniu włókien Dmc1 na ssDNA. Podczas gdy poprzednie badania wykazały, że Swi5-Sfr1 i Hop2-Mnd1 wnoszą istotny wkład w wymianę nici kierowaną przez Dmc1 podczas HR, mechanizmy leżące u podstaw ich wkładu molekularnego pozostały nieuchwytne.

Rzucając światło na ich funkcje molekularne, zespół badawczy kierowany przez adiunkta Hideo Tsubouchi z Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) w Japonii i profesora Hung-Wen Li z National Taiwan University na Tajwanie ujawnia teraz, w jaki sposób białka Swi5-Sfr1 i Hop2-Mnd1 regulują montaż włókna Dmc1. Korzystając z eksperymentów na pojedynczych cząsteczkach, przeprowadzili to badanie z białkami z Schizosaccharomyces pombe, gatunek drożdży rozszczepialnych używany jako organizm modelowy. Ich praca została opublikowana w Badania kwasów nukleinowych dziennik z dnia 3 lipca 2023 r.

Do końca, naukowcy najpierw oczyścili Dmc1, Hop2-Mnd1 i Swi5-Sfr1 z S. pombe. Następnie poddali te białka specjalistycznej technice zwanej transferem energii rezonansu fluorescencji pojedynczej cząsteczki, która wykorzystuje wiązkę laserową i substraty DNA znakowane fluorescencyjnymi chemikaliami do wykrywania interakcji między Dmc1 a DNA. Ponadto naukowcy przeprowadzili również eksperymenty z ruchem cząstek na uwięzi (w celu obserwacji zmian kształtu i konfiguracji polimerów, takich jak DNA), aby zwizualizować zespół włókna Dmc1 w czasie rzeczywistym.

Na podstawie tych wyników naukowcy zauważyli, że zarówno Swi5-Sfr1, jak i Hop2-Mnd1 promują składanie włókna Dmc1 na ssDNA, ale na dwa różne sposoby. Hop2-Mnd1 wiąże się z podwójnymi / jednoniciowymi połączeniami DNA i inicjuje wiązanie Dmc1 ze sobą. Swi5-Sfr1 wiąże się z złożonym włóknem Dmc1 i zapobiega dysocjacji Dmc1 z włókna presynaptycznego. Zaobserwowali zatem, że połączenie tych dwóch czynników przyczynia się do wydajnego i stabilnego tworzenia włókna Dmc1.

Podsumowując, odkrycia te dostarczają ważnych informacji na temat mechanizmów leżących u podstaw składania włókna Dmc1 i funkcjonowania jego białek pomocniczych. Idąc dalej, może to przyczynić się do lepszego zrozumienia HR w mejozie, kluczowym zjawisku biologicznym w rozmnażaniu eukariotycznym. Chociaż białka badane w tym artykule pochodzą z drożdży rozszczepialnych, są one szeroko konserwowane u eukariontów, w tym u ludzi. Biorąc pod uwagę, że rekombinacja homologiczna jest niezbędna do wiernej segregacji chromosomów podczas mejozy, wyniki uzyskane w tym badaniu są prawdopodobnie istotne dla zrozumienia ludzkich systemów rozrodczych. Mogą rzucić światło na zrozumienie przyczyn niepłodności i niektórych zaburzeń genetycznych spowodowanych błędną segregacją chromosomów, takich jak zespół Downa.