Effects of Chromosomal Topology and Organization on E. coli Gene Expression

染色体拓扑和组织对大肠杆菌基因表达的影响

基本信息

  • 批准号:
    10744700
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 4.77万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-09-30 至 2024-09-29
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Project Summary/Abstract Bacterial chromosomes are organized spatially and topologically within cells, taking on conformations that change as a function of cellular processes, growth rates and conditions external to the cell. Nucleoid- associated proteins facilitate this organization by bending, looping, and coating DNA to form topological domains at different length levels. At the lowest level, the E. coli chromosome forms small looping domains, or chromosomal topologically isolated domains (TIDs), on the order of 10 kbp. This chromosomal organization into topologically isolated domains localizes supercoiling to different portions of the chromosome. The relationship between this and transcription is one of coupling, where supercoiling density determines transcriptional activity, but transcriptional activity also changes supercoiling density. To probe these effects and to test our hypothesis that the formation of TIDs significantly modulates gene expression profiles we will use a combined single-molecule imaging and computational modeling approach. To learn the most about the DNA topological effects on transcription as we must be able to isolate the various components in a series of synthetic systems. In Aim 1, I will construct an in vivo synthetic looping domain to investigate the effect of domain formation on the transcription and expression dynamics of two genes inside the domain under different conditions. Expression will be monitored via single molecule fluorescence in situ hybridization and live protein expression from synthetic looping domains. In Aim 2, to obtain a quantitative understanding of how the topological state of a TID impacts RNAP’s transcription kinetics, I will monitor the initiation and elongation rates of single RNAP molecules on a circular template DNA mimicking a TID using single molecule protein induced fluorescent enhancement (smPIFE) in vitro. In Aim 3, to synthesize the models at these two size scales by using a reaction-diffusion model to simulate DNA-protein interactions and supercoiling. Studying bacterial chromosomal organization in this way may reveal mechanisms that bacteria use to maintain transcription in the presence of perturbations and ways they may exploit DNA topology effects for gene regulation.
项目摘要/摘要 细菌染色体在细胞内在空间和拓扑上进行组织,采取符合条件的形式 这种变化是细胞过程,生长速率和细胞外部的条件。 相关的蛋白质通过弯曲,循环和涂料DNA促进该组织的促进蛋白质,以形成拓扑 在最低水平的不同长度上,大肠杆菌染色体形成小环 在10 kbp的命中率上,托管区分离的结构域(TIDS) 拓扑隔离的结构域将超串联定位为染色体的不同部分 该和转录之间的关系是耦合的,是超螺旋密度确定素 转录活性,但转录活性也会改变超螺旋密度。 为了检验我们的假设,即TID的形成显着调节基因表达谱。 联合单分子成像和计算建模方法。 最多了解DNA拓扑对转录的影响,因为我们必须分离它。 在AIM 1中的合成系统的静态列表中,我将构建一个体内循环 域研究域形成对两个的转录和表达动力学的影响 在不同条件下,将通过单分子监测域内的基因。 荧光原位杂交和来自合成环的活蛋白表达在AIM 2中。 对TID的拓扑状态如何影响RNAP的转录动力学,以获取定量的理解, 我将监视单个RNAP分子在圆形模板DNA上的启动和伸长率 在AIM 3中模仿使用分子蛋白质蛋白质的淡淡(SMPife)。 通过使用反应扩散模型模拟DNA-蛋白质,在这些尺寸尺度上合成模型 以这种方式研究细菌染色体组织 细菌在存在的情况下使用细菌来维持转录的机制及其可能 利用DNA拓扑效应基因调节。

项目成果

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