DNA结合蛋白在DNA上的易化扩散及特异位点搜寻机制的单分子生物物理研究

For many DNA-binding proteins to efficiently achieve their function, it is essential to be able to rapidly search for the specific target DNA sites. In searching for a target DNA sequence, a DNA binding protein such as transcription factors, DNA repair proteins etc. first will non-specifically bind to the DNA, then undergo 1-D diffusion along a short segment of DNA before dissociating from DNA, diffusion in 3-D through the cytoplasm, and rebinding to a different DNA segment again, and this process repeats itself many times until the target sites to be found. The 3-D diffusion is driven by the thermal motion, but the 1-D diffusion is much more complicated. It has been shown that proteins can both hop and slide along double-stranded DNA, as well as DNA-binding proteins undergo rotation-coupled sliding along the DNA double helix. So, proteins with different function and structures will likely undergo different mechanisms in 1-D diffusion on DNA. So far, however, only a handful of DNA-binding proteins have been investigated about their 1-D non-specific binding despite hundreds if not thousands of different DNA-binding proteins have been identified. In this applying project, we are going to study the mechanisms of many different types (up to 100) of DNA binding proteins for their non-specific binding on DNA, especially 1-D diffusion, hoping to derive a general experimental and theoretical model for the DNA-protein non-specific binding.

各种不同功能及结构类型的DNA结合蛋白都需要很快找到其DNA上的特定结合位点而行使功能。 蛋白质对DNA上特定位点的结合及搜寻一般认为需要经历三维扩散结合到DNA的非特异位点，然后沿着DNA双螺旋链一维搜寻结合位点这两种过程（所谓易化扩散）有效结合来实现。 三维扩散主要由细胞质内的热运动控制，而一维搜寻则是个复杂的过程，一般认为包括非特异性一维扩散及沿DNA的滑行。 不同功能的DNA结合蛋白在DNA上的一维扩散机制可能很不相同。 要全面系统地深入了解DNA-蛋白质的非特异性结合及对特异性位点的搜寻，必须对许多不同结构及功能的DNA结合蛋白进行系统的单分子生物物理研究。 本课题旨在通过单分子生物物理实验及理论建模研究多种（100种以上）结构类型及不同功能的DNA结合蛋白在DNA上的一维易化扩散机制，从而归纳总结出具有普遍意义的，系统全面的DNA-蛋白质相互作用机制及位点搜寻模型。

在本研究课题的资助下，我们基本完成了研究计划所提出的研究内容，我们系统地测定并研究了20多种不同的DNA结合蛋白的DNA结合结构域结合DNA的一维扩散系数。 这些蛋白覆盖了几乎所有可能的DNA结合蛋白模式。 研究结果表明，不但不同结构域的转录因子在异化扩散距离和速度上都呈现了差别，而且相同结构域的转录因子也会出现不同的异化扩散行为。 因此，对于蛋白质-DNA非特异性相互作用，蛋白质特异的结构同样重要，而不是简单的结构模式。蛋白质对DNA的非特异相互作用远比我们想象的要复杂，因此对于每一个转录因子，可能都需要更加系统和深入的研究。.. 同时我们还研究了在执行课题过程中（2013年）新发现的免疫系统中的DNA感受蛋白——环鸟苷酸-腺苷酸合成酶（human cyclic GMP-AMP synthase, hcGAS），hcGAS的全长蛋白以及其它不同结构域与DNA的非特异性相互作用的特性。 我们得到的单分子实验数据显示，hcGAS蛋白的不同结构域在与DNA分子进行非特异性相互作用时呈现差异性，不仅结合的位置存在区别，在DNA双链上移动的范围和速率都大有不同。 结合其他多种传统生物学研究手段相结合的方式发现了hcGAS蛋白N端的一百多个氨基酸对整个蛋白的重要性，证明它们在蛋白与DNA相互作用并激发蛋白合成酶活性的过程中是不可或缺的。这些信息为人们后续深入研究这条天然免疫反应通路的机理提供了更多帮助，也在人们与自身免疫疾病斗争的道路上铺下了新的基石。

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