細胞進行減數分裂時，會進行計畫性同源重組，藉由計畫性DNA雙股斷裂以進行序列互換，幫助染色體分離並增加基因多樣性。在酵母菌中，同源重組蛋白Dmc1必須在斷裂的單股DNA上形成核蛋白絲，才能配對同源股進行後續的股交換反應。然而在細胞中，單股DNA會先被單股DNA結合蛋白RPA包覆，避免單股的降解並移除二級結構，所以同源重組蛋白Dmc1必須要取代RPA才能順利形成核蛋白絲。這個步驟必須藉由輔助蛋白Mei5-Sae3的幫忙才能有效達成，然而其調控的作用機制並不清楚。本院化學系、臺大生化所以及日本大阪大學研究團隊，利用生物化學蛋白技術，以及單分子螢光能量轉移及多光色螢光共位實驗技術(Single-Molecule FRET and Colocalization)，將Dmc1結合於DNA上視為A+B-> AB的化學反應，以單分子技術實時觀測Dmc1的結合以及RPA的取代反應。相較於傳統生化實驗觀察樣品的平均行為，容易忽略樣品中的分布及反應過程中短暫的中間狀態，透過單分子實驗直接且即時觀察單個分子的反應過程，能夠以高時間解析度提供動力學和機制上的資訊。
研究結果顯示，在輔助蛋白Mei5-Sae3的幫助下，Dmc1的解離速率(koff)會被抑制，進而達到穩定小Dmc1複合體的效果。同時利用單分子技術即時觀測RPA被 Dmc1取代時的反應進程，發現在RPA脫落前，2~3 個Dmc1小複合體就已經形成於DNA的單雙股交界處，並且此Dmc1小複合體的穩定度與RPA的取代效率成正相關。由單分子技術所提供的反應機制和動力學細節，我們提出了Mei5-Sae3的作用分子機制模型，解釋Mei5-Sae3能幫助Dmc1穩定結合於RPA所裸露的短單股上，進而競爭RPA的動態結合，達到移除RPA並形成Dmc1核蛋白絲的效果。這項研究中，不但首度解釋了Mei5-Sae3的作用機制，更首度提出了此種新型輔助蛋白作用方法，非藉由影響RPA的結合穩定性，而是藉由穩定同源重組蛋白來達成幫助取代RPA的效果，這個研究對生物學家來說，提供了對蛋白-DNA作用在細胞中的調控機制，有更大的影響力。
本研究的共同第一作者魏嶔典，是化學系學士班同學，剛於2024六月學士畢業。魏同學以大學部專題生身分參與研究工作，結合課程知識及應用在研究計畫上，是學習過程的優秀展現，他也獲得本年度本校學士論文獎(院長獎) 的肯定。另一共同第一作者張皓衍，是生化所冀宏源老師與化學系李弘文老師的共同博士後研究員。其他作者包括化學所呂家驊，生化所張姿淳，及日本大阪大學篠原彰教授的研究團隊Asako Furukohri，Stephen Mwaniki。這項研究得到了國科會、臺灣大學以及大阪大學的支持。這個國際合作計畫，展現了物理化學，生物化學及遺傳學領域，跨領域合作的重要與影響力。
論文全文: https://doi.org/10.1093/nar/gkae780 (Nucleic Acids Research 2024)
化學系李弘文老師實驗室: https://www.ch.ntu.edu.tw/hwli.html
生化所冀宏源老師實驗室: https://ibs.ntu.edu.tw/home.jsp
日本大阪大學篠原彰老師實驗室: https://www.protein.osaka-u.ac.jp
圖一、Mei5-Sae3輔助蛋白促進Dmc1結合到RPA-DNA的模型
圖二、部分團隊合照。前排左起化學系李弘文，日本近畿大學Miki Shinohara，日本大阪大學Akira Shinohara，生化所冀宏源。後排左起張喬閎，魏嶔典，張皓衍。