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单分子技术解析BLM解旋酶在DNA同源重组修复中的分子机制及功能

批准号:
32100993
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:
毕路路
依托单位:
学科分类:
分子生物物理
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
毕路路

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
DNA受到内源代谢产物以及外源物质攻击会造成多种不同的损伤,其中DNA双链断裂是最严重的损伤之一。双链断裂的DNA若不能及时正确的修复,会造成有害的染色体重组与基因突变,进而诱发疾病的产生。同源重组修复是DNA双链断裂损伤中一种能够保持基因组完整性的高精度修复方式。在此过程中,BLM解旋酶通过解旋双链DNA发挥促重组的作用,但又能与其它蛋白协作发挥抗重组功能,帮助避免不良同源重组事件的发生,然而关于BLM抗重组功能的确切机制依然是未知的。因此本项目计划通过单分子荧光光镊技术对具有多重生物学功能的BLM进行深入研究,重点讨论BLM与单链结合蛋白RPA之间的协同作用如何调控同源重组修复过程中核蛋白丝的组装与解离,以及是否破坏同源重组修复过程中已经形成的D-loop结构。通过对BLM抗重组功能的单分子水平研究,阐明BLM发挥抗重组功能的动态分子机制。
英文摘要
DNA is attacked by a variety of endogenous metabolites and exogenous substances to cause a variety of different damages. Among them, DSB (double-stranded break) is one of the most serious damage. If DSB cannot be repaired in time and correctly, it will cause harmful chromosomal recombination and gene mutation, and then induce disease. HR (Homologous recombination) repair is a high-precision repair method for DSB that can maintain genome integrity. During the homologous recombination repair process, the BLM helicase (Bloom syndrome helicase) is involved in the production of long 3' single-stranded DNA overhangs, which are first coated with RPA (Replication protein A). Subsequently, RPA was replaced by the recombinase RAD51 to form RAD51-ssDNA nucleoprotein filament (NPF). which were matched with homologous DNA to form a displacement D-loop for subsequent recombination and repair processes. BLM helicase plays a role in promoting recombination by unwinding double-stranded DNA, but can also cooperate with other proteins to play an anti-recombination function, helping to avoid adverse homologous recombination events. However, the exact mechanism of BLM anti-recombination function is still unknown. Therefore, this project plans to conduct in-depth research on BLM through optical tweezers with single-molecule fluorescence. Our study mainly focus on how the BLM and RPA can regulate the dissociation of RAD51 from NPF, and whether break the formed D-loop structure during HR repair. Through the single molecule research on the BLM, it provides the dynamic molecular mechanism of the BLM's anti-recombination role.
解旋酶是从原核生物到真核生物都高度保守的多功能马达蛋白。它们利用NTP水解将化学能转化为机械能,负责核酸分子的解旋,参与到包括DNA复制、修复及重组等几乎所有核酸代谢过程。这些蛋白功能的缺失往往会导致基因组的不稳定甚至细胞死亡。DNA解旋酶BLM 是RecQ家族中的重要成员,在维护基因组稳定的多种DNA代谢过程中具有多重生物学功能。BLM基因突变会导致细胞基因组突变,引起Bloom综合征甚至诱发肿瘤。此外,BLM的过表达同样与基因组不稳定性密切相关。利用荧光双光镊技术,单分子水平实时观测BLM解旋的过程,我们发现两组对向解旋的BLM相遇后形成一个稳定的多聚复合体。多聚的BLM复合体将其蛋白活性从解旋双链DNA转变为单DNA的滑行,并能够有效去除RAD51重组蛋白。这一发现解释了BLM解旋酶在同源重组中如何进行功能活性的转变,并为研究蛋白质寡聚状态和功能之间的关系提供了重要参考模型。针对BLM解旋酶,我们还发现高浓度下,该蛋白可以通过相分离在解旋DNA后抵抗数十皮牛的阻力压缩新生成单链DNA。BLM还能够压缩RPA或RAD51蛋白保护的单链DNA,表明BLM解旋酶可以发生相分离,并具有明确的酶活转变。该工作为BLM作为抗重组酶在同源重组中的抗重组功能提供了新的证据,并为BLM过表达影响基因组不稳定提供了新见解。上述解旋酶的独特物理特性是传统生物实验技术无法探测的。单分子荧光光镊技术对蛋白差异性、动态性、应力性的敏感性在这些研究中得到了充分体现。
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