Structural and Functional Characterization of the McrBC Restriction System

McrBC 限制系统的结构和功能表征

基本信息

  • 批准号:
    10318156
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 31.71万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-01-01 至 2023-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Abstract     Modification-­dependent  restriction  systems  (MDRs)  recognize  and  cleave  modified  foreign  DNA.  These  proteins  are  thought  to  play  a  role  in  establishing  the  epigenetic  landscape  of  bacterial  genomes  and  are  especially  important  in  protecting  against  predatory  bacteriophage  viruses,  many  of  which  incorporate  modified bases into their DNA to evade detection by other defense systems. While MDRs can be found in  most antibiotic-­resistant bacteria including methicillin-­resistant Staphylococcus aureus (MRSA), Clostridium  difficile, and carbapenem-­resistant enterobacteriaceae like Klebsiella pneumoniae, no eukaryotic homologs  exist, making them promising targets for drug design. Inhibiting these systems has the potential to enhance  the  efficacy  of  phage-­mediated  bacterial  killing,  thus  providing  new  therapeutic  strategies  to  combat  persistent,  antibiotic  resistant  microbial  infections.  It  is  our  long-­term  goal  to  study  the  basic  biology  and  mechanisms of MDRs and use this knowledge to improve current phage therapy approaches. This proposal  examines  the  structure  and  function  of  the  McrBC  restriction  system,  a  two-­component  MDR  that  targets  DNA  containing  methylated  cytosines.  E.  coli  McrB  contains  an  N-­terminal  DNA  binding  domain  and  a  C-­ terminal  AAA+  motor  domain  that  hydrolyzes  GTP  and  mediates  nucleotide-­dependent  oligomerization.  McrB’s basal GTPase activity is stimulated via interaction with its partner endonuclease McrC. Biochemical  studies  suggest  a  model  for  DNA  cleavage  in  which  McrB  and  McrC  assemble  together  at  two  distant  methylated  sites  and  translocate  in  a  manner  dependent  on  stimulated  GTP  hydrolysis.  Collision  of  these  McrBC  assemblies  triggers  cleavage  of  both  DNA  strands.  Despite  this  model,  the  molecular  and  mechanistic details underlying McrBC function remain poorly defined. In Aim 1, we will dissect the species-­ specific  determinants  of  DNA  binding  in  different  McrB  homologs  using  X-­ray  crystallography  and  biochemistry.  We  will  also  generate  chimeras  that  exchange  the  DNA  binding  domains  between  different  McrB  homologs  to  test  the  hypothesis  that  the  core  hydrolysis  and  cleavage  machineries  in  McrBC  are  conserved and have adapted to different evolutionary pressures via a modular design. In Aim 2, we will use  mutagenesis and kinetic assays to identify the critical catalytic components responsible for McrC-­stimulated  GTPase  activity.  In  Aim  3,  we  will  determine  the  structure  and  architectural  organization  of  the  McrBC  restriction  complex  at  atomic  resolution  by  X-­ray  crystallography  and  cryo-­electron  microscopy.  These  efforts will provide new insights into how McrBC complexes bind DNA, assemble, and hydrolyze GTP.
抽象的     识别并清除修改的外国DNA的修改依赖性限制系统(MDR)。这些 人们认为蛋白质在建立细菌基因组的表观遗传景观方面发挥作用,并且是 在防止掠食性细菌病毒中尤其重要,其中许多都合并 修改后的碱基将其他防御系统视为检测到DNA。虽然可以在 大多数抗生素耐药细菌,包括甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA),梭状芽胞杆菌 艰难梭菌和耐碳青霉烯类肠杆菌科,如肺炎,无真核同源物 存在,成为药物设计的有希望的目标。抑制这些系统有可能增强 噬菌体介导的细菌杀死的有效性,从而提供了新的治疗策略来对抗 持续的,抗生素耐药的微生物感染。研究基本生物学和 MDR的机制,并使用这些知识来改善当前的噬菌体疗法。这个建议 检查MCRBC限制系统的结构和功能,这是一个针对的两个组件MDR 含有甲基化胞嘧啶的DNA。大肠杆菌MCRB包含一个N末端DNA结合结构域和c- 末端AAA+运动结构域水解GTP并介导核苷酸依赖性寡聚。 MCRB的基础GTPase活性是通过与其伴侣核酸内切酶MCRC的相互作用刺激的。生化 研究提出了一个DNA裂解的模型,其中MCRB和MCRC在两个遥远的 甲基化位点和以某种方式转运的方式取决于刺激的GTP水解。这些碰撞 MCRBC组件触发了两个DNA链的裂解。尽管这种模型,分子和 MCRBC功能基础的机械细节仍然很差。在AIM 1中,我们将剖析物种 - 使用X射线晶体学和 生物化学。我们还将生成在不同的嵌合体之间交换DNA结合域之间的嵌合体 MCRB同源物测试以下假设:MCRBC中的核心水解和裂解机械是 保守并通过模块化设计适应了不同的进化压力。在AIM 2中,我们将使用 诱变和动力学测定,以识别负责MCRC刺激的关键催化成分 GTPase活性。在AIM 3中,我们将确定MCRBC的结构和建筑组织 X射线晶体学和冷冻电子显微镜在原子分辨率下进行限制复合物。这些 努力将为MCRBC复合物如何结合DNA,组装和水解GTP提供新的见解。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
The N-terminal domain of Staphylothermus marinus McrB shares structural homology with PUA-like RNA binding proteins.
  • DOI:
    10.1016/j.jsb.2020.107572
  • 发表时间:
    2020-07
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3
  • 作者:
    C. Hosford;M. Adams;Y. Niu;J. Chappie
  • 通讯作者:
    C. Hosford;M. Adams;Y. Niu;J. Chappie
Structural asymmetry governs the assembly and GTPase activity of McrBC restriction complexes.
  • DOI:
    10.1038/s41467-020-19735-4
  • 发表时间:
    2020-11-20
  • 期刊:
  • 影响因子:
    16.6
  • 作者:
    Niu Y;Suzuki H;Hosford CJ;Walz T;Chappie JS
  • 通讯作者:
    Chappie JS
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