磷硫酰化修饰保护DNA免于切割的分子机理研究

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AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    31872627
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    59.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    C0102.微生物生理与生化
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

DNA phosphorothioation, in which an oxygen atom on the phosphorodiester backbone of DNA is replaced with a sulfur atom, is the only discovered physiological modification on the DNA backbone. The DNA phosphorothioation process is accomplished by four proteins, DndA, DndC, DndD, and DndE, which are encoded by genes on the dnd gene cluster. Functions of DNA phosphorothioation include protecting DNA from cleavage and oxidation. Recently, it was found that next to the dnd gene cluster, there are another four genes related to DNA phosphorothioation, dndF, dndG, dndH, and dndI. If the dnd gene cluster is knocked out, DNA phosphorothioation in the bacterial cells would be lost, and it will lead to DNA damage and breakage. On the other hand, when the dndF, dndG, and dndH genes are in-frame deleted at the same time with the dnd gene cluster, the bacterial cells return to the normal phenotype and DNA breakage no longer happens. In addition, overexpression of DndF, DndG, and DndH proteins also has lethal effects on bacteria. This indicates that DndF, DndG, and DndH proteins can cleave non-phosphorothioated DNA, whereas phosphorothioation is able to protect DNA from being cleaved by the DndF, DndG, and DndH proteins. In this project, we are going to determine the crystal structures of DndF, DndG, DndH, and the closely related DndI proteins. We plan to investigate whether DndF, DndG, DndH, and DndI form a protein-protein complex, and will set out to determine the crystal structure of this protein-protein complex. By combining structural biology together with enzymological and microbiological assays, we are going to reveal how the DndF, DndG, DndH, and DndI proteins recognize and cleave non-phosphorothioated DNA, and elucidate the molecular mechanism of how the phosphorothioation modification protects DNA from cleavage by DndF, DndG, DndH, and DndI.
DNA磷硫酰化修饰,即一个硫原子替代DNA磷酯骨架上的一个氧原子,是迄今发现的唯一一种DNA骨架上的生理修饰。DNA磷硫酰化由dnd基因簇编码的四个蛋白所完成,有着保护DNA不被断裂的功能。与dnd基因簇相邻,还有四个与DNA磷硫酰化相关的基因dndF、dndG、dndH、dndI。敲除dnd基因簇造成的DNA磷硫酰化丧失会导致DNA损伤断裂,而同时对dndFGH基因做同框敲除则使细菌恢复正常表型,不再出现DNA断裂现象。过表达DndF、DndG、DndH蛋白对细菌有致死作用。这表明DndF、DndG、DndH蛋白对非磷硫酰化DNA有切割作用,而磷硫酰化则保护DNA不受切割。本项目中,我们拟解析DndF、DndG、DndH、DndI蛋白的晶体结构以及它们的复合物结构,从而揭示它们是怎样协同作用,识别并切割非磷硫酰化DNA的,并探讨磷硫酰化修饰保护DNA不被切割的分子机理。

结项摘要

本项目基本按照原计划执行。我们经过艰苦努力,取得了以下结果。我们发现DndF、DndG和DndH三个蛋白可以形成一个复合物, 我们称为DndFGH复合物,表现出特异性地针对非磷硫酰化修饰DNA的缺刻酶活性,限制外源非磷硫酰化修饰DNA的侵染。接着,我们发现DndF蛋白表现出ATP水解酶(ATPase)活性,如果突变DndF上对ATPase活性起关键作用的Walker A motif,就会破坏DndFGH复合物的DNA缺刻酶活性。然后,我们通过解析DndG蛋白的X射线晶体结构,发现DndG是一个含有helix-turn-helix (HTH) motif的DNA结合蛋白,并通过非变性凝胶电泳实验证实了其确实可以结合DNA。随后,我们通过晶体结构解析和生化功能实验分析,发现DndH亚基为DndFGH复合物提供缺刻DNA以及在DNA上移位(translocation)的活性。而且,DndH的C端结构域也有ATPase活性,与DNA的结合会激活DndH的ATPase活性来水解ATP,DndH利用水解ATP所释放的能量在DNA上移位。最后,我们通过荧光共振能量转移(简称FRET)实验发现DndFGH复合物在溶液中可以采取多种构象,与DNA和ATP的结合会促使DndFGH复合物的构象转换。有趣的是,DNA磷硫酰化修饰可以下调DndFGH复合物的活性,与非磷硫酰化DNA相比,磷硫酰化修饰DNA存在时,DndH的ATPase活力以及转位酶活力都大大降低,从而使得DndFGH复合物不会缺刻细菌自身的磷硫酰化修饰DNA,实现对“非我”的防御和对“自我”的保护。本研究成果以“The functional coupling between restriction and DNA phosphorothioate modification systems underlying the DndFGH restriction complex”为题发表在《Nature Catalysis》期刊上。吴更教授为并列通讯作者。

项目成果

期刊论文数量(10)
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 functional coupling between restriction and DNA phosphorothioation modification systems underlying the DndFGH restriction complex.
DndFGH 限制性复合物的限制性酶切和 DNA 硫代磷酸化修饰系统之间的功能耦合。
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Nature Catalysis
  • 影响因子:
    37.8
  • 作者:
    Wu D;Tang Y;Chen S;He Y;Chang X;Zheng W;Deng Z;Li Z;Wang L;Wu G;Chen S
  • 通讯作者:
    Chen S
Mathematical appraisal of SARS-CoV-2 Omicron epidemic outbreak in unprecedented Shanghai lockdown.
上海史无前例的封锁期间 SARS-CoV-2 Omicron 疫情暴发的数学评估
  • DOI:
    10.3389/fmed.2022.1021560
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Frontiers in medicine
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
  • 通讯作者:
Structural insight into the recognition between Sufu and fused in the Hedgehog signal transduction pathway
Hedgehog 信号转导通路中 Sufu 和 fused 识别的结构洞察
  • DOI:
    10.1016/j.jsb.2020.107614
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Journal of Structural Biology
  • 影响因子:
    3
  • 作者:
    Li H;Wang W;Zhang W;Wu G
  • 通讯作者:
    Wu G
Structural, Mechanistic, and Functional Insights into an Arthrobacter nicotinovorans Molybdenum Hydroxylase Involved in Nicotine Degradation.
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  • DOI:
    10.3390/molecules26144387
  • 发表时间:
    2021-07-20
  • 期刊:
    Molecules (Basel, Switzerland)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Wang L;Mu X;Li W;Xu Q;Xu P;Zhang L;Zhang Y;Wu G
  • 通讯作者:
    Wu G
Nicking mechanism underlying the DNA phosphorothioate-sensing antiphage defense by SspE.
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  • DOI:
    10.1038/s41467-022-34505-0
  • 发表时间:
    2022-11-09
  • 期刊:
    NATURE COMMUNICATIONS
  • 影响因子:
    16.6
  • 作者:
    Gao, Haiyan;Gong, Xinqi;Zhou, Jinchuan;Zhang, Yubing;Duan, Jinsong;Wei, Yue;Chen, Liuqing;Deng, Zixin;Wang, Jiawei;Chen, Shi;Wu, Geng;Wang, Lianrong
  • 通讯作者:
    Wang, Lianrong

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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    华修国
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  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
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    PLoS One
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    3.7
  • 作者:
    吴更
  • 通讯作者:
    吴更
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2011-09
  • 期刊:
    Biochemical and Biophysical Research Communications
  • 影响因子:
    3.1
  • 作者:
    吴更
  • 通讯作者:
    吴更
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  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    上海交通大学学报(农业科学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    傅艳琨;郭亮;吴更;华修国;崔立
  • 通讯作者:
    崔立
Purification, crystallization, and preliminary X-ray analysis of DndE protein from Salmonella enterica serovar Cerro 87 which is involved in DNA phosphorothioation.
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  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    Acta Crystallography Section F Structural Biology and Crystallization Communications
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    吴更
  • 通讯作者:
    吴更

其他文献

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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