蛋白因子和分子机器在DNA上的信号探测和信息识别

Protein factors and protein enzyme machines interact with DNA to regulate genetic information flow during gene replication, transcription and translation processes. With advancements of experimental technologies, high-resolution structures of many protein-DNA complexes are resolved, single protein tracking and full-genome characterization of protein-DNA interactions also become available. Based on the experimental progress, we intend to study how these protein molecules achieve specific interactions with DNA along with movements and searching along DNA, by conducting structure-based modeling and simulations. For the equilibrium cases in which proteins move via 3D or facilitated diffusion along DNA to detect the sequence information, we choose the highly concerned Cas proteins in associating with PAM adjacent sequences in bacterial immune system, as well as the cancer regulation transcription factor p53 in searching and recognizing along DNA. While for the protein machines working along DNA at the non-equilibrium conditions, we study RNA polymerase enzymes in transcription, which we have characterized previously. In particular, we want to explore how the polymerases recognize the promoter during transcription initiation, and how these enzymes react, in a sequence-dependent manner, to particular sequence motifs and mis-matches, during mechanical and fidelity control in transcription elongation.

在生物的遗传代谢和基因表达中，蛋白因子协同蛋白酶分子机器通过同DNA相互作用而将储存在DNA中的遗传信息进行复制转录和翻译。随着实验技术的发展，高精度的蛋白质DNA复合物结构得以解析，单个蛋白在细胞内的运动以及在全基因组上同DNA的结合特征得以定量刻画。我们的研究致力于在实验基础上对蛋白因子和蛋白酶同DNA的特异性结合以及对这些蛋白如何通过运动搜索去获取DNA序列信息进行基于分子结构的建模模拟。对于平衡态下蛋白通过三维空间或沿DNA的扩散来探测DNA序列信号的情形，我们选择应用关注度高的细菌免疫体系中的Cas蛋白对PAM序列的识别, 以及癌症病变中重要的转录调控因子p53在DNA上的搜索和序列识别来考量。对非平衡态下工作的蛋白酶分子机器，我们则利用有前期工作积累的转录酶蛋白体系来考察在转录起始中蛋白酶对启动子的识别以及在转录延伸过程中蛋白酶在遇到特殊和错配DNA序列时的运动和信息保真反馈。

在基因表达和生物遗传过程中，蛋白质转录因子协同转录酶和DNA相互作用，将DNA的遗传信息读取翻译成相应的肽链，形成蛋白质。在相关研究领域，项目参与者完成四个主题研究工作。第一，长期以来，蛋白转录因子和RNA聚合如何在高度复杂和庞大的染色体结构中搜索并结合到特异位点一直是生命科学基础研究和应用的重大问题。在对植物蛋白因子WRKY沿着DNA扩散进行的全原子模拟研究首次揭示了WRKY蛋白沿着DNA大沟移动一个碱基对的完整动力学行为，即蛋白-DNA结合表面的氢键逐个断裂，并逐个重新形成，进而完成一个完整的循环。 第二，基于Cas1-2和DNA的复合体的结晶结构的全原子模拟研究工作指出Cas1和Cas2的两个活性位点非对称地结合到PAM识别位点上，并发现在长距离活性位点（10纳米）酶剪切的别构效应，该别构效应受到DNA和Cas2的调控。第三，通过计算模拟研究基因转录起始化过程中T7噬菌体的RNA聚合酶识别启动子的机制。该研究刻画了在起始化过程中，启动子从T7变成T3时相应的转录因子的能量变化和结构动力学。第四，超螺旋态DNA在基因表达过程扮演着重要的调控作用。基于现有的虫链模型，我们系统研究了超螺旋态DNA的多时间尺度动力学，发现DNA扭矩的传播是快变量，超螺旋的空间旋曲构象的变化属于慢变量。基于此发现，进一步构造了DNA超螺旋动力学的粗粒化二相模型，该含时间动力学方程描述了从毫秒到秒和分钟级别的大尺度DNA超螺旋动力学过程，并定量支持了单分子实验的结论，即超螺旋的扩散行为和跳跃行为，该模型和转录过程耦合可以预测转录过程的含时动力学行为。

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