“BRCA1-BARD1对DNA修复很重要。它与癌症有直接关系，因为在癌症患者中已经发现了数百个BRCA1和BARD1基因突变，”该论文的主要作者、梅奥诊所结构生物学家和生物化学家Georges Mer博士说。“但没有人知道这些突变或意义不明的变异是否具有癌症易感性，因为我们不知道这些变异是否位于对功能重要的BRCA1-BARD1区域。”现在，因为我们可以看到BRCA1-BARD1是如何工作的，所以我们对BRCA1-BARD1的哪些区域对功能很重要有了很好的了解。”

在细胞中，DNA和组蛋白的复合物被复合成所谓的染色质，并打包成称为核小体的束。DNA损伤反应蛋白需要进入染色质来修复受损的DNA。BRCA1-BARD1有助于修复断裂的DNA链，这有助于细胞的维持和生存。但如果这是癌细胞在化疗中生存的策略，那么这种功能也可能被阻断或灭活。

低温电子显微镜和核磁共振波谱学

“我们使用了两种技术——低温电子显微镜和核磁共振波谱——以接近原子的分辨率来理解BRCA1-BARD1是如何与核小体(染色质的重复单位)关联的，以及BRCA1-BARD1是如何修改染色质的，”Mer博士解释道。

在低温电子显微镜下，纯化的BRCA1-BARD1结合到核小体上，一起被称为大分子，被快速冷冻，然后用电子显微镜成像。大分子在样品中以不同的方式定位，因此计算机程序会评估所有的定位数据来创建一个3D结构。Mer博士和他的团队还用核磁共振波谱技术检测了BRCA1-BARD1核小体复合物，这种技术使用强磁体探测大分子中原子的相对位置。使用这些成像工具，科学家们可以看到BRCA1-BARD1的活动，并发现该复合物的新功能。

“我们展示了BRCA1-BARD1是如何将泛素附着到核小体上的，但我们也确定了BRCA1-BARD1可以识别已经附着在核小体上的泛素，这是断裂DNA的信号，”Mer博士说。“我们发现了一个意外的串音，通过这个串音，BRCA1-BARD1的泛素识别增强了其泛素附着活性，这有助于我们更好地理解BRCA1-BARD1是如何执行其功能的。”

研究人员根据低温电子显微镜的数据制作了一段视频，展示了蛋白质复合物与核小体相互作用的地方(参见下面的链接)。

从科学发现到病人护理

Mer博士和他的团队希望BRCA1-BARD1的高分辨率图像可以在两方面帮助指导患者护理和未来的癌症治疗:对意义未知的变异进行分类和更准确地指导药物开发。

“有了这些3D结构，我们应该能够将一些未知的变异转化为可能诱发癌症的变异，”梅尔博士说。“这项工作也有望对药物开发产生长期影响，因为BRCA1-BARD1与我们生成的核小体复合物的3D结构可能有助于设计小分子，例如，可以使BRCA1-BARD1失活。”

除了Mer博士，论文的其他作者还有Qi Hu博士;Maria Victoria Botuyan博士;Debiao赵博士;高峰崔博士;和埃利。这项研究由美国国立卫生研究院，梅奥诊所癌症中心，梅奥诊所生物医学发现中心，和卵巢癌研究联盟资助，并通过低温电子显微镜和核磁共振仪器在太平洋西北低温电子显微镜中心和梅奥诊所，分别。

Journal Reference:

Qi Hu, Maria Victoria Botuyan, Debiao Zhao, Gaofeng Cui, Elie Mer, Georges Mer. Mechanisms of BRCA1–BARD1 nucleosome recognition and ubiquitylation. Nature, 2021; DOI: 10.1038/s41586-021-03716-8