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
- 来源:
- 关键词:AffectBacteriaBacterial ChromosomesBehaviorBindingCell physiologyCellsChromatin LoopChromosome StructuresChromosomesComputer ModelsCoupledCouplingDNADNA-Directed RNA PolymeraseDNA-Protein InteractionDataDiffusionEscherichia coliEukaryotic CellFeedbackFluorescent DyesFluorescent in Situ HybridizationGene ExpressionGene Expression RegulationGene OrderGenerationsGenesGenetic TranscriptionGrowthImageIn Situ HybridizationIn VitroIndividualKineticsKnowledgeLeadLearningLengthLightMapsMeasurementMechanicsMessenger RNAModelingMolecularMolecular ConformationMonitorMovementPhasePhenotypePolymersPositioning AttributeProcessProductionPropertyProteinsReactionRelaxationSeriesSignal TransductionSuperhelical DNASystemTestingTimeTopoisomeraseTrainingWorkantagonistcell fixingdensitydesignexperimental studyin vivoinformation processinginsightmechanical propertiesmolecular imagingprematureprotein expressionsingle moleculetranscription factor
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
细菌染色体经常在细胞内组织和拓扑,构象构象
这种变化是细胞过程,生长速率和状况的函数。核酸
相关蛋白质通过弯曲,循环和涂料DNA来制备该组织以形成拓扑
不同长度的域。在最低水平,大肠杆菌染色体形成小环形域,或
在10 kbp的阶段,冬季拓扑分离的结构域(TIDS)。这个染色体组织
进入拓扑隔离的结构域将超涂线定位于染色体的不同部分。这
这与转录之间的关系是耦合之一,其中超螺旋密度决定
转录活性,但是转录活性也会改变超螺旋密度。探究这些影响,并
为了检验我们的假设,即TID的形成显着调节基因表达曲线,我们将使用
联合单分子成像和计算建模方法。
为了最大程度地了解DNA拓扑对转录的影响,因为我们必须能够分离
一系列合成系统中的各个组件。在AIM 1中,我将构建一个体内合成循环
研究域形成对两个的转录和表达动力学的影响
在不同条件下域内的基因。表达将通过单分子监测
荧光原位杂交和来自合成循环结构域的活蛋白表达。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上的主动性和伸长率
在体外,使用单分子蛋白诱导的荧光增强(SMPife)模仿TID。在AIM 3中,
通过使用反应扩散模型模拟DNA-蛋白质,在这两个尺寸尺度上合成模型
互动和超螺旋。以这种方式研究细菌染色体组织可能会揭示
细菌在存在扰动的情况下用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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