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ゆきさうとだ
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1 pp. DNA DNA DNA DNA DNA DNA DNA DNA DNA DNA DNA DNA DNA Structural and biochemical aspects of homologous genetic DNA recombination Hitoshi Kurumizaka Graduate School of Science and Engineering, Waseda University, Wakamatsu, Shinjuku-ku, Tokyo, Japan, TsutomuMikawa Biometal Science Laboratory, RIKEN SPring- Center,, Suehirocho, Tsurumi-ku, Yokohama, Japan, Juri Hikiba Graduate School of Science and Engineering, Waseda University, Wakamatsu, Shinjuku-ku, Tokyo, Japan, and Takehiko Shibata Cellular & Molecular Biology Laboratory, RIKEN Advanced Science Institute, Hirosawa, Wako-shi, Saitama, Japan DNA DNA DNA DNA DNA DNA DNA DNA DNA DNA

2 DNA dsdna BR dsdna TP gene conversion GC CO synthesis-dependent strand annealing SDSA GC double-strand break repair DSBR GC CO GC CO DNA DNA DNA DNA BR GC DNA DNA BR DNA TP gene conversion gene conversion DNA CO gene conversion R. Holliday DNA heteroduplex DNA gene conversion Szostak double-strand-break repair DSBR synthesisdependent strand annealing SDSA gene conversion gene conversion DNA DNA

3 DNA SDSA DNA DSBR D RecA ATP DNA DNA D ATP RecA ATP DNA branch migration RecA DNA DNA D ATP RecA DNA RecA PCR ATP DNA RecA Rad Dmc Rad Dmc D DNA DNA DNA RecA DNA T DNA helicaseprimase Cα rmsd DNA RecA DNA RecA Rad Dmc rad DNA Rad Rad DNA gene conversion Rad ATP ATP DNA mtdna Mhr β Mhr mtdna β DNA Rad Mhr β RecA Rad DNA ATP DNA DNA DNA mtdna DNA RecA Rad Dmc DNA DNA RecA RecA RecA RecA ATP RecA ATP RecA ADP RecA RecA RecA RecA RecA L L DNA DNA RecA DNA DNA RecA L L DNA DNA RecA L L RecA DNA Protein Data Bank PDB Nature RecA

4 RecA RecA PDB accession number Rad Dmc RecA RecA Rad Dmc Dmc Rad Dmc Rad Dmc Dmc Rad Dmc Dmc Dmc Dmc Rad Dmc Dmc ATP ATP Dmc Dmc DNA RecA RadA Rad RadA Rad ATPase RecA

Dmc RecA Rad Dmc ATPase RecA C Rad Dmc N RecA C DNA Rad N DNA RecA-C Rad -N RecA-C Rad -N L L DNA RecA Rad Dmc DNA DNA RecA RecA-C Rad -N RecA Rad DNA NMR RecA Rad DNA ATP ATP

5 Dmc RecA Rad Dmc ATPase RecA C Rad Dmc N RecA C DNA Rad N DNA RecA-C Rad -N RecA-C Rad -N L L DNA RecA Rad Dmc DNA DNA RecA RecA-C Rad -N RecA Rad DNA NMR RecA Rad DNA ATP ATP RecA DNA NMR NOE DNA RecA DNA B DNA DNA RecA Rad ATP RNA DNA RecA DNA B DNA RecA B CH-π ATP RecA DNA DNA B DNA NOE DNA DNA RecA DNA RecA DNA DNA RecA DNA DNA DNA RecA DNA DNA DNA

6 RecA DNA RecA DNA DNA B

7 DNA DNA C DNA DNA DNA DNA DNA DNA B DNA RecA A-T G-C GC RecA Rad DNA A T G C Rad DNA RecA DNA NMR DNA DNA ATP ATP RecA DNA Rad Mhr Xrcc -Rad C ATP RecA Rad RAD BRCA breast cancer DNA DNA RecA Rad DNA DNA SSB RPA RecA Rad DNA DNA RecA Rad DNA DNA RecA Rad RecF RecO RecR Rad RAD BRCA RecFOR RecF RecO RecR RecF RecR RecO RecR RecFR RecOR RecFR RecFR Deinococcus radiodurans dr RecR drrecr DNA DNA Escherichia coli ec Thermus thermophilus tt RecR ttrecr ttrecf RecR RecF ecrecr ttrecr DNA RecFR ATP DNA RecFR RecR drrecf ATP Rad RecF RecR

５１８生化学第８０巻第６号図６組換えメディエーターの立体構造内は PDB ID を点線内は OB フォールドを示す一方 RecO は SSB と同程度の単鎖 DNA に対する強い結合力を示す電子顕微鏡観察において SSB 単鎖 DNA ラップしていることが示唆され実際に RecO に結合できなくなる RecR の変異体は RecF にも結合しなかった４０

8 ５１８生化学第８０巻第６号図６組換えメディエーターの立体構造内は PDB ID を点線内は OB フォールドを示す一方 RecO は SSB と同程度の単鎖 DNA に対する強い結合力を示す電子顕微鏡観察において SSB 単鎖 DNA ラップしていることが示唆され実際に RecO に結合できなくなる RecR の変異体は RecF にも結合しなかった４０は特徴的な縮れた像を示すのに対して RecO 単鎖 DNA 以上をまとめると RecF RecO RecR によるメディはフィラメント様の像を示したあらかじめ SSB で覆わエーターとしての機能発現機構について次のモデルが構築れた単鎖 DNA に RecO を加えても RecO 単鎖 DNA の像できる図７１相同組換えの開始反応の結果生じた単が優位に得られたことから RecO は SSB に覆われた単鎖鎖 DNA 領域は直ちに SSB の結合により保護される DNA から単鎖 DNA を奪うことが明らかになった４４ま２ RecF RecO RecR のうち RecO は SSB で覆われた単た生化学的な解析により単鎖 DNA から外れた SSB は鎖 DNA 領域に結合し単鎖 DNA から解離した SSB は単鎖 DNA 上にある RecO に結合したままでありこの状 RecO 上に留まる一方３ RecR RecF は４分子の RecR 態の単鎖 DNA はまだ RecA の基質にならないことが示さと２分子の RecF から構成される RecFR 複合体を形成し二れた試験管内でさらにこの状態に RecO と相互作用する重鎖 DNA 上をクランプのように移動する４ RecFR 複 RecR を添加すると RecA は単鎖 DNA 上にフィラメント合体が二重鎖 DNA 単鎖 DNA の境界に来ると RecR がを形成して活性を示したこのように試験管内では Rec- RecO と相互作用することにより２分子の RecR と１分子 OR のみで RecA を SSB に覆われた単鎖 DNA に結合させの RecO から構成される RecOR 複合体が形成されるお４４ることができる近年 drrecor 複合体の立体構造が決定そらく５この RecOR を土台として RecA のフィラメンされたこの構造中でも RecR はリングであり RecO はト形成が始まり相同組換えが開始される現在のところリングの両サイドからリングにはまり込むように配置して RecO と RecA の間あるいは RecR と RecA の間に物理的いたこの構造では二重鎖 DNA はリング内に入れないな相互作用は確認されていないが真核生物のメディエーが DNA 存在下でのクロスリンク実験結果は二重鎖ターである Rad５２ BRCA２両者とも Rad５１と物理的に相 DNA 単鎖 DNA 領域には２分子の RecR と１分子の RecO 互作用することから４６４７ DNA 上の RecOR 複合体と RecA から構成される RecOR 複合体として結合していることをの間には何らかの相互作用があることが推定される４５示した上述したように RecFR 複合体はリングを形成し RecO Rad５２ BRCA２はその全体構造は全く異なるがて二重鎖 DNA 上をクランプのように移動する可能性が高図６その発現活性は非常に類似しているこれらのタいまた NMR による相互作用解析と生化学的解析の結ンパク質は全て ATP を必要とせずに RecA や Rad５１と同果 RecR 上の RecF と RecO の相互作用部位はオーバー様に相同的対合を触媒する１４４８４９ RecA や Rad５１による相

9 RecF RecO RecR SSB DNA RecA DNA DNA DNA DNA RecA Rad DNA DNA DNA DNA RecO RecR DNA RecFR RecOR RecA RecO RecO BRCA OB oligonucleotide binding OB DNA DNA DNA Rad N OB Rad C RPA Rad C OB DNA DNA DNA Spo DNA DNA RecBCD

10 Holliday, R. Genetic Res., Camb.,,. Szostak, J.W., Orr-Weaver, T.L., Rothstein, R.J., & Stahl, F.W. Cell,,. Allers, T. & Lichten, M. Cell,,. Shibata, T., DasGupta, C., Cunningham, R.P., & Radding, C. M. Proc. Natl. Acad. Sci. USA,,. McEntee, K., Weinstock, G.M., & Lehman, I.R. Proc. Natl. Acad. Sci. USA,,. Cox, M.M. & Lehman, I.R. Proc. Natl. Acad. Sci. USA,,. Kahn, R., Cunningham, R.P., DasGupta, C., & Radding, C.M. Proc. Natl. Acad. Sci. USA,,. Shibata, T., Ohtani, T., Iwabuchi, M., & Ando, T. J. Biol. Chem.,,. Shigemori, Y., Mikawa, T., Shibata, T., & Oishi, M. Nucleic Acids Res.,, e. Shinohara, A., Ogawa, H., & Ogawa, T. Cell,,. Bishop, D.K., Park, D., Xu, L.Z., & Kleckner, N. Cell,,. Sawaya, M.R., Guo, S., Tabor, S., Richardson, C.C., & Ellenberger, T. Cell,,. Malkova, A., Ivanov, E.L., & Haber, J.E. Proc. Natl. Acad. Sci. USA,,. Kagawa, W., Kurumizaka, H., Ishitani, R., Fukai, S., Nureki, O., Shibata, T., & Yokoyama, S. Mol. Cell,,. Ling, F. & Shibata, T. EMBO J.,,. Rybalchenko, N., Golub, E.I., Bi, B., & Radding, C.M. Proc. Natl. Acad. Sci. USA,,. Ling, F. & Shibata, T. Mol. Biol. Cell,,. Story, R.M., Weber, I., & Steitz, T.A. Nature,,. Singleton, M.R., Wentzell, L.M., Liu, Y., West, S.C., & Wigley, D.B. Proc. Natl. Acad. Sci. USA,,. Kinebuchi, T., Kagawa, W., Enomoto, R., Tanaka, K., Miyagawa, K., Shibata, T., Kurumizaka, H., & Yokoyama, S. Mol. Cell,,. Wu, Y., He, Y., Moya, I.A., Qian, X., & Luo, Y. Mol. Cell,,. Conway, A.B., Lynch, T.W., Zhang, Y., Fortin, G.S., Fung, C. W., Symington, L.S., & Rice, P.A. Nat. Struct. Mol. Biol.,,. Wu, Y., Qian, X., He, Y., Moya, I.A., & Luo, Y. J. Biol. Chem.,,. Chen, L.T., Ko, T.P., Chang, Y.C., Lin, K.A., Chang, C.S., Wang, A.H., & Wang, T.F. Nucleic Acids Res.,,. Pellegrini, L., Yu, D.S., Lo, T., Anand, S., Lee, M., Blundell, T.L., & Venkitaraman, A.R. Nature,,. Shin, D.S., Pellegrini, L., Daniels, D.S., Yelent, B., Craig, L., Bates, D., Yu, D.S., Shivji, M.K., Hitomi, C., Arvai, A.S., Volkmann, N., Tsuruta, H., Blundell, T.L., Venkitaraman, A. R., & Tainer, J.A. EMBO J.,,. Aihara, H., Ito, Y., Kurumizaka, H., Terada, T., Yokoyama, S., & Shibata, T. J. Mol. Biol.,,. Aihara, H., Ito, Y., Kurumizaka, H., Yokoyama, S., & Shibata, T. J. Mol. Biol.,. Kurumizaka, H., Aihara, H., Ikawa, S., Kashima, T., Bazemore, L.R., Kawasaki, K., Sarai, A., Radding, C.M., & Shibata, T. J. Biol. Chem.,,. Nishinaka, T., Ito, Y., Yokoyama, S., & Shibata, T. Proc. Natl. Acad. Sci. USA,. Nishinaka, T., Shinohara, A., Ito, Y., Yokoyama, S., & Shibata, T. Proc. Natl. Acad. Sci. USA,,. Dagneaux, G., Porumb, H., Liquier, J., Takahashi, M., & Taillandier, E. J. Biomol. Struct. Dyn.,,. Kagawa, W., Kurumizaka, H., Ikawa, S., Yokoyama, S., & Shibata, T. J. Biol. Chem.,,. Kurumizaka, H., Ikawa, S., Nakada, M., Eda, K., Kagawa, W., Takata, M., Takeda, S., Yokoyama, S., & Shibata, T. Proc. Natl. Acad. Sci. USA,,. Beernink, H.T., & Morrical, S.W. Trends Biochem. Sci.,,. Yang, H., Jeffrey, P.D., Miller, J., Kinnucan, E., Sun, Y., Thoma, N.H., Zheng, N., Chen, P.L., Lee, W.H., & Pavletich, N.P. Science,,. Umezu, K. & Kolodner, R.D. J. Biol. Chem.,,. Sigurdsson, S., Van Komen, S., Bussen, W., Schild, D., Albala, J.S., & Sung, P. Genes Dev.,,. Gasior, S.L., Olivares, H., Ear, U., Hari, D.M., Weichselbaum, R., & Bishop, D.K. Proc. Natl. Acad. Sci. USA,,. Honda, M., Inoue, J., Yoshimasu, M., Ito, Y., Shibata, T., & Mikawa, T. J. Biol. Chem.,. Lee, B.I., Kim, K.H., Park, S.J., Eom, S.H., Song, H.K., & Suh, S.W. EMBO J.,,. Webb, B.L., Cox, M.M., & Inman, R.B. J. Biol. Chem.,. Koroleva, O., Makharashvili, N., Courcelle, C.T., Courcelle, J., & Korolev, S. EMBO J.,,. Inoue, J., Honda, M., Ikawa, S., Shibata, T., & Mikawa, T. Nucleic Acids Res.,,. Timmins, J., Leiros, I., & McSweeney, S. EMBO J.,,. Krejci, L., Song, B., Bussen, W., Rothstein, R., Mortensen, U. H., & Sung, P. J. Biol. Chem.,,. Davies, O.R. & Pellegrini, L. Nat. Struct. Mol. Biol.,,. Luisi-DeLuca, C. J. Bacteriol.,,. Mazloum, N., Zhou, Q., & Holloman, W.K. Proc. Natl. Acad. Sci. USA,,. Sugiyama, T., Kantake, N., Wu, Y., & Kowalczykowski, S.C. EMBO J.,,. Petalcorin, M.I., Sandall, J., Wigley, D.B., & Boulton, S.J. J. Mol. Biol.,,. Park, M.S., Ludwig, D.L., Stigger, E., & Lee, S.H. J. Biol. Chem.,,. Shen, Z., Cloud, K.G., Chen, D.J., & Park, M.S. J. Biol. Chem.,,. Chen, Z., Yang, H., & Pavletich, N.P. Nature,,.

表1.eps

表1.eps Vol.1 C ontents 1 2 cell-free EMBO J Proc. Natl. Acad. Sci. USA NatureEMBO J 3 RNA NatureEMBO J Nature EMBO J 4 5 HCV HCV HCV HCV RNA HCV in situ 6 7 8 Nat Struct Mol Biol J Biol Chem Nat Commun J Virol