用单分子技术研究与DNA同源重组相关的物理过程和重组酶的分子机理

同源重组是遗传重组的一种，是生物体内常见的发生在DNA同源序列之间的重组，在生物存活及发育演化过程中起着重要作用。由于缺乏有效的精细研究手段，关于同源重组的动力学细节及其相关重组酶的分子机理，还缺乏明确的了解。RecA和Rad51分别是大肠杆菌和真核生物中的重组酶，它们在同源重组过程中催化单链DNA与同源的双链DNA之间的同源联会，并促进单链DNA侵入双链DNA，发生链交换，形成新的DNA双链。本项目应用先进的单分子技术，研究大肠杆菌RecA和人类Rad51在同源重组过程中如何介导单链DNA搜寻和识别双链DNA靶标上的同源序列，以及如何将同源单链置换出来的分子机制。本项目结合单分子（磁镊）操纵技术和全内反射单分子荧光技术，在单分子水平获得RecA和Rad51与DNA相互作用的直观和动态的数据，加深对同源重组物理过程的理解，提出重组酶介导的同源重组的分子机理。

同源重组是生物体内常见的发生在DNA 同源序列之间的重组，在生物存活及发育演化过程中起着重要作用。由于缺乏有效的精细研究手段，关于同源重组的动力学细节及其相关重组酶的分子机理，还缺乏明确的了解。RecA是大肠杆菌中的重组酶，在同源重组过程中催化单链DNA 与同源的双链DNA 之间的同源联会，并促进单链DNA 侵入双链DNA，发生链交换，形成新的DNA 双链。本项目应用先进的单分子技术，研究大肠杆菌RecA在同源重组过程中如何介导单链DNA 搜寻和识别双链DNA 靶标上的同源序列，以及如何将同源单链置换出来的分子机制。首先，本项目通过荧光显微示踪方法, 发现在同源识别过程中RecA 与单链DNA 形成的核蛋白丝与模板DNA 的结合是短时(τ= 0.2 s) 和短程(l = 1.05 μm) 的, 结合后搜寻模板DNA上的同源位点的过程可分为布朗运动和定向运动两种模式。从而推测结合时核蛋白丝并不是缠绕在模板DNA 上, 而是以一种更弱的方式结合在模板DNA外侧进行位点搜寻。如果在该过程中没有找到同源位点, 核蛋白丝就会脱离模板DNA, 并寻找下一次与模板DNA 结合的机会, 重复以上过程。其次，我们应用单分子磁镊技术，研究了同源识别和链交换的机制。发现核蛋白丝在与双链DNA结合后，会做尝试性的链交换，其长度大约在20-30个碱基之间。如果序列不匹配，则最后链交换失败，仍保留原来的双链；若序列匹配成功，则进行下一个20-30个碱基的链交换，直至同源单链被全部置换出来。以上结果从单分子水平揭示了RecA介导的同源寻找和链交换过程，加深了对同源重组物理过程的理解，提出了重组酶介导的同源重组的分子机理。本项目还用单分子磁镊技术研究了BLM解旋酶核心的解旋机理。根据实验结果，我们推测BLM核心蛋白解旋时与DNA有三个结合区，其中两个强结合区结合在3’链上，一个弱结合区结合在5’链上。解旋时必须存在强结合，弱结合可有可无。快速滑行退回时只有弱结合。而强结合的恢复则导致再解旋。

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