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XRCC4-Ligase 4连接酶复合物与双链DNA动态交互作用的单分子荧光分析

批准号:
22104120
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
赵柏林
依托单位:
学科分类:
化学与生物传感
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
赵柏林

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
XRCC4-Ligase 4(X4L4)是DNA双链断裂非同源末端连接(NHEJ)修复通路特有的连接酶复合物,其功能缺失会导致免疫缺陷性疾病。X4L4参与NHEJ双链DNA(dsDNA)联会及末端共价连接过程,但尚不清楚X4L4是如何与dsDNA动态相互作用进而形成何种形式的复合物参与这些过程。本项目拟发展生物化学单分子荧光方法,在单分子水平上研究X4L4与dsDNA的动态结合,以深入理解X4L4介导NHEJ的分子机制。表达纯化高荧光标记效率及高活性的X4L4蛋白,发展单分子两色荧光方法包括荧光共定位、荧光共振能量转移及荧光分步漂白等方法研究荧光标记的X4L4在单一dsDNA上的动态结合及形成复合物的结构,探讨NHEJ因子对X4L4-dsDNA动态交互作用的影响。在此基础上,进一步发展单分子三色荧光共定位方法研究介导两条dsDNA联会及末端共价连接的X4L4-dsDNA复合物形式。
英文摘要
XRCC4-Ligase 4 (X4L4) is the sole ligase complex specifically functioning in the non-homologous end joining (NHEJ) pathway for DNA double-stranded break (DSB) repair. X4L4 with a functional deficiency can lead to immunodeficiency. X4L4 is mainly involved in NHEJ dsDNA synapsis and covalent end-ligation. Currently, the active form of the X4L4-dsDNA complex formed from dynamic interactions between X4L4 and dsDNA in synapsis and end ligation remains unclear. This project will focus on the development of varied biochemical single-molecule fluorescence assays, which will be applied to study the dynamic binding of X4L4 to the dsDNA and further explore the molecular roles of X4L4 in the NHEJ process. Highly active and fluorescently labeled X4L4 will be first prepared. Two-color single-molecule fluorescence assays including fluorescence colocalization (CL), Förster resonance energy transfer (FRET), and stepwise fluorescence bleaching, will then be developed by using the fluorescent X4L4 and dsDNA to study the dynamic binding of X4L4 to a single dsDNA, the structures of formed X4L4-dsDNA complexes, and the effects of other NHEJ factors on the interactions of X4L4 and dsDNA. Based on the results above, a three-color single-molecule CL assay will be further developed to explore the active form of X4L4-dsDNA complex functioning in dsDNA synapsis and ligation.
XRCC4-Ligase 4(X4L4)是DNA双链断裂非同源末端连接(NHEJ)修复通路特有的连接酶复合物,其功能缺失会导致免疫缺陷性疾病。X4L4参与NHEJ双链DNA(dsDNA)联会及末端共价连接过程,但尚不清楚X4L4是如何与dsDNA动态相互作用进而形成何种形式的复合物参与这些过程。本项目发展单分子荧光方法,在单分子水平上研究X4L4与dsDNA的动态结合,以深入理解X4L4介导NHEJ的分子机制。本项目优化SNAP-X4L4的标记和纯化策略,获得高纯度(>90%)、高标记效率(>58%)及高活性(与未标记蛋白活性相当)的X4L4蛋白。发展单分子(sm)两色荧光方法包括荧光共定位(CL)、荧光共振能量转移(FRET)方法研究X4L4在单一dsDNA上的动态结合及形成复合物的结构,发现X4L4在dsDNA上以长度依赖的方式结合,高效的X4L4结合需要DNA长度大于25bp且需Ku70/80参与。X4L4在40bp和80bp DNA上结合效率接近,但复合物寿命分析显示40bp DNA上形成的复合物更稳定。复合物荧光强度分析表明单个X4L4结合到DNA末端,且DNA-PKcs、XLF和PAXX蛋白不影响这种结合计量学。XLF和PAXX也不影响复合物的稳定性,但DNA-PKcs可通过提高复合物的稳定性来提高X4L4结合到DNA末端的效率。FRET分析表明XLF和PAXX不改变X4L4在DNA末端结合的位置,而DNA-PKcs在DNA末端结合可推动结合的X4L4向DNA内部移动。进一步发展交替激光激发-单分子三色荧光共定位/共振能量转移分析方法,分析DNA联会过程中X4L4在两条dsDNA末端结合的计量学及动态学。荧光强度及FRET分布表明单个X4L4结合在任一DNA末端可介导两DNA的联会,但两条DNA上同时结合X4L4不影响联会。据此提出X4L4以不同结合计量学介导NHEJ联会的机制模型。本项目对X4L4标记及纯化的策略可为类似蛋白利用其特性优化标记和纯化方法具有借鉴意义,且X4L4-dsDNA动态交互作用的动态学机制可为特异性高的X4L4抑制剂开发提供重要的分析对象,进而助于癌症治疗及精准的基因编辑。此外,进一步利用smFRET方法分析X4L4介导的DNA联会,发现DNA末端序列在DNA联会中具有决定性的作用,拓展了NHEJ DNA联会机制多样性的范围。
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