一項由化學系李弘文教授與生化科學所冀宏源教授實驗室的跨領域合作研究，近日發表於國際標竿期刊”Nucleic Acids Research”，闡明了輔助蛋白如何調控RAD51蛋白在DNA上的結合延伸過程。這個研究結合了生物物理與生物化學的專長，深入探討細胞中DNA雙股斷裂修復的重要步驟: RAD51在DNA上形成核蛋白絲的過程。這項合作也反應出近年來跨領域整合物理化學與生命科學以理解複雜細胞機制的趨勢。
在研究此類絲狀結構形成的蛋白質時，一項主要挑戰是辨識其在DNA上進行延伸的”功能性單元”。雖然冷凍電子顯微鏡等技術已能觀察RAD51蛋白聚集體的靜態結構與平均大小，但這些方法無法得知在實際組裝過程中究竟是哪些單體或聚體形式真正參與了DNA上的延伸。這項研究突破了這一限制，利用在定力下的即時高解析度觀察，成功測量出RAD51在DNA上逐步組裝的功能性單元，進一步定義其作用機制。
如何才能即時一步一步地觀察蛋白絲的組裝呢？作者是利用客製建造，具奈米解析度的”光學鑷子” (optical tweezers)平台。光學鑷子是利用高度聚焦的雷射光束，捕捉並操控微小粒子 (如與DNA連接的微米級乳膠小球)，藉以控制及施力於DNA分子上。在本研究中，研究團隊將一條DNA分子一端固定於載玻片表面，另一端連接至被雷射束固定的微珠，並對這條DNA分子施一定力。當RAD51蛋白逐步組裝並附著於DNA上時，會導致DNA長度的增長。藉由系統的定力回饋機制，研究團隊便能讀取奈米等級的長度變化。這個奈米等級的變化，大約是一根頭髮寬度的十萬分之一，使得研究人員能夠 ”看見” 每一次蛋白質結合步驟的進行。這種高解析度的技術，正適合研究蛋白質與DNA之間的動態交互作用。
透過這項方法，研究團隊得以即時觀察RAD51絲狀體的逐步組裝，並量化每次延伸的步長。結果發現，在沒有輔助蛋白時，RAD51多以八聚體(octamer)單位進行延伸。然而加入SWI5-SFR1輔助蛋白後，主要延伸單位轉為四聚體(tetramer)。這顯示SWI5-SFR1在溶液中改變了RAD51的寡聚狀態，降低其從DNA上解離的機率，進而促進更穩定且一致的絲狀體形成。
這個研究成果闡明了輔助蛋白如何精密地調控RAD51的組裝步驟，以確保DNA修復的效率與準確性，對維護基因體穩定性具有關鍵意義。藉由單分子層次觀察RAD51的動態行為，這項研究為細胞內重組過程的調控提供了新的分子機制，並對癌症生物學與基因編輯應用等領域帶來可能的啟發。這個研究展現了跨領域合作，尤其是尖端單分子生物物理化學平台，與優秀的生物化學技術，在基礎生物學研究中的重要價值。作者特別感謝國科會與臺大的長期資源支持，使得單分子螢光與力學顯微技術得以建立，並發展為成功的長期合作成果。
SWI5–SFR1 reduces RAD51 recombinase extending units during filament assembly Open Access, Nucleic Acids Research, 53, gkaf676 (2025) https://doi.org/10.1093/nar/gkaf676
By Yingying Hu , Yen-Chan Chang , You-Yang Tsai , Hao-Yen Chang , Peter Chi , Hung-Wen Li
生化科學所冀宏源教授實驗室 https://chi-lab.webflow.io/
化學系李弘文教授實驗室 https://www.ch.ntu.edu.tw/hwli.html
上圖: 高解析度光學鑷子即時量測RAD51的功能性延伸單位。下圖: 調控蛋白改變RAD51延伸單位的分子模型。