Insights into understanding tumorigenic mutations from the structural studies of human Mre11 and Rad50 complex

Doctor치유가 어려워 가장 치명적인 종류의 유전자 손상인 double-strand breaks (DSBs)는 homologous recombination (HR)과 non-homologous end joining (NHEJ)에 의해 치유된다. 잘 보존된 Mre11-Rad50-Nbs1 (MRN) 복합체는 HR과 NHEJ에 필수적이며, 손상부위를 인지하고, checkpoint 신호전달 및 치유에 핵심적인 기능을 한다. MRN 복합체중 어느 하나라도 삭제 돌연변이 (null mutation)에 의해 발현이 안되면 미발달 치사 (embryonic lethality)를 보이고, Mre11과 Rad50의 다양한 돌연변이가 여러 종류의 암 환자에게서 발견이 된다. 이 논문을 통해 Mre11과 Rad50 두 개의 결정구조를 바탕으로 암 유발 변이의 이해를 돕고자 한다. 먼저, 나는 Nbs1 binding loop을 포함하는 nuclease domain과 capping domain으로 구성된 사람의 Mre11 core (HsMre11 core) 단백질의 결정 구조를 밝혔다. HsMre11 core는 loop α2-β3와 helix α2, β3, 그리고 loop β3-α3와 loop β4-β5의 상호작용을 통해서 이량체 구조를 형성한다. 진핵생물에만 존재하는 긴 loop (loop α2-β3)은 HsMre11 core 이량체 형성에 관여하며, Nbs1 결합에 필수적이다. 많은 종양 형성 돌연변이들이 nuclease domain과 Nbs1 binding loop에 존재하며 Nbs1 결합에 영향을 주었고, 이는 손상된 유전자 치유와 신호전달에서 MRN 복합체 형성의 중요성을 나타낸다. 그리고, 나는 사람의 Rad50 zinc-hook과 coiled-coil domain (HsRad50HCC182)의 결정 구조를 밝혔다. HsRad50HCC182는 두 개의 역평행한 coiled-coil domain이 나란히 길어진, 막대 모양의 intra-complex 구조를 형성한다. 막대 모양의 이량체는 각 Rad50의 zinc-hook domain 사이의 상호작용과 coiled-coil domain 사이에 형성된 세 번째 경계면 (interface)에 의하여 안정화 된다. 돌연변이에 의한 hook과 coiled-coil의 구조 변화는 globular domain의 ATP 가수분해 활성과 유전자 결합 활성에 심각한 영향을 미친다. 실험 결과를 통해 apex가 globular domain의 기능을 조절하는데 중요한 역할을 하고 있고, DSB 치유와 신호전달에 있어서 allosteric 조절의 중요성을 밝혔다.Double-strand breaks (DSBs) are the most cytotoxic type of damages. DSBs are repaired by homologous recombination (HR) and non-homologous end joining (NHEJ). Highly conserved Mre11-Rad50-Nbs1 (MRN) complex plays a central role in both HR and NHEJ events, by sensing, damage signaling, and repairing DSBs. Importance of the MRN complex in DSB repair is illustrated by the fact that null mutation of any component leads embryonic lethality in mice and that various Mre11 and Rad50 mutations have been identified in several types of cancer. In this thesis, I will present two crystal structures of human Mre11 and Rad50, and provide insights into understanding the basis of their mutations in tumorigenesis. First, I determined the crystal structure the human Mre11 core (HsMre11 core), which contains the nuclease and capping domains and Nbs1 binding loop. HsMre11 core forms a dimer through the interactions between loop α2-β3 and helices α2 and α3, and between loop β3-α3 and loop β4-β5 from each protomers. Long insertion loop (loop α2-β3) is involved in dimerization of HsMre11 core and essential for the Nbs1 binding. Many tumorigenic mutational hot spots are located in the nuclease domain and Nbs1 binding loop and affect Nbs1 binding which indicate that significance of the MRN complex formation for DNA damage signaling and repair. Second, I determined the crystal structure of the human Rad50 zinc-hook and coiled-coil domain (HsRad50HCC182) at the apex. The structure reveals that HsRad50HCC182 forms the rod-shaped intra-complex, in which the two anti-parallel coiled-coils are extended juxtaposed manner. Rod-shaped dimer is stabilized by the interaction between zinc-hook domain of each protomers, and by the third interface between coiled-coil domain of each Rad50. Mutations which disrupt the apex structure of hook or coiled-coil interface exhibited severely decreased ATP hydrolysis and DNA binding activities of globular domain. The data suggest that the apex plays a critical role in controlling the globular domain function, indicating the importance of allosteric regulation of the complex in DSB damage repair and signaling