In meiotic DNA recombination, the Hop2？Mnd1 complex promotes Dmc1-mediated single-stranded DNA (ssDNA) invasion into homologous chromosomes to form a synaptic complex by a yet-unclear mechanism. Here, the crystal structure of Hop2？Mnd1 reveals that it forms a curved rod-like structure consisting of three leucine zippers and two kinked junctions. One end of the rod is linked to two juxtaposed winged-helix domains, and the other end is capped by extra α-helices to form a helical bundle-like structure. Deletion analysis shows that the heli-cal bundle-like structure is sufficient for interacting with the Dmc1-ssDNA nucleofilament, and molecular modeling suggests that the curved rod could be accommodated into the helical groove of the nucleofilament. Remarkably, the winged-helix domains are juxtaposed at fixed relative orientation, and their binding to DNA is likely to perturb the base pairing according to molecular simulations. These findings allow us to propose a model explaining how Hop2？Mnd1 juxtaposes Dmc1-bound ssDNA with distorted recipient double-stranded DNA and thus facilitates strand invasion.
상동재조합은 감수 분열 시 상동 염색체들의 올바른 배열과 동등한 배분을 위해, 그리고 진화의 주요 요소인 유전적 다양성을 생성해 내는데 있어 필수적인 과정이다. Hop2？Mnd1 복합체는 유성생식을 하는 개체들에서 유전적으로 보존되어 있는 단백질 복합체 중의 하나이며 상동재조합 과정에서 중요하게 작용한다고 알려져 있다. Hop2, Mnd1의 각각의 null mutant에선 비 상동 염색체 간 짝이 형성되는 것으로 미루어볼 때 이들은 염색체가 상동한 짝을 찾는데 중요하게 작용할 것으로 여겨진다. 기능적으로는 Rad51, Dmc1과 같은 recombinase의 D-loop 형성 기능을 촉진 시킬 수 있다는 것이 보고가 되어 있다. 지금까지 Hop2？Mnd1 복합체에 대하여 다양한 측면에서 광범위한 연구가 이루어져 왔음에도 불구하고 이들이 recom-binase들로 하여금 어떻게 상동한 부분을 찾게 만들어 주는지, 이들의 메커니즘에 대한 설명은 현재까지 거의 이루어 지지 않았으며 후속 생화학 실험을 위해 분자수준의 구조 규명이 매우 필요한 시점이었다.
본 연구는 Giardia lambila 종의 Hop2？Mnd1 복합체의 전체 구조를 X-선 결정 구조를 통해 분자수준으로 규명하여 보여주었다. Hop2와 Mnd1은 기존에 알려진 바와 동일하게 1:1 heterodimer를 형성하고 있다. 구조는 아미노말단의 winged-helix domain (WHD)과 나머지 coiled coil부분, 이렇게 두 부분으로 나누어 설명할 수 있다.
우선 Hop2와 Mnd1 각각의 아미노말단에 위치한 약 70개의 아미노산을 제외한 부분은 150 ？ 정도로 매우 긴, 평행한 coiled-coil 구조를 형성하고 있다. 이 coiled coil은 두 꺽쇠 구조로 인해 어느 정도 곡률을 가지게 되고 전체적으로 초승달 모양의 구조를 형성하고 있다. 이 꺽쇠 구조를 구성하는 주요 아미노산들은 유전적으로 잘 보존 되어 있음을 확인 할 수 있었다. 또한 이 구조를 Dmc1-ssDNA filament의 나선형 홈 (helical groove)에 피팅을 해보면 매우 잘 맞아 들어감을 확인 할 수 있었다. 또한 deletion assay를 통해 Hop2？Mnd1복합체의 coiled coil 중 가장 카르복시말단에 위치한 helical bundle구조가 Dmc1과 상호작용 하는 부분임을 보여 주었다.
Hop2와 Mnd1의 아미노말단의 약 70개 아미노산들은 각각 둥근 winged-helix domain (WHD)를 형성하고 있다. 이들은 짝을 이루는 것처럼 나란히 배치 (juxtaposed)되어 있는데, 이들간의 상호작용은 유전적으로 보존된 소수성 상호작용을 통해 이루어지며WHD간의 상대적인 위치는 고정된 것으로 보인다. 기존에 보고된 WHD 구조들을 바탕으로 모델링을 해본 결과, DNA가 상당히 휘어져야만 이 WHD 쌍에 결합을 할 수 있음을 알게 되었다. 추가적으로 Molecular simulation analysis를 통해 이중가닥 DNA에 붙은 모델을 만들어보면 이중가닥 DNA가 상당히 휘게 되며 일부 염기 들은 제대로 쌍을 형성하지 못함을 관찰할 수 있었다.
위 서술한 내용들을 종합하여 본 연구에서는 ‘Hop2？Mnd1 복합체가 이중 가닥 DNA의 일부 base pair를 노출시켜 Dmc1-ssDNA filament에 접근 시킴으로써, 상동한 DNA를 찾는 과정을 도울 수 있다’는 새로운 가설을 제시하였다.
