DNA硫修饰复合物的双功能活性与结构研究

DNA and its processing enzymes are focuses of life science. There is a novel DNA backbone modification in bacteria, in which one of the non-bridging oxygen is swapped with sulfur. We found previously that DNA sulfur modification endows the bacterial hosts with antioxidation advantage. However, the underlying biochemical mechanism remains to be elucidated. And further, the relationship between DNA sulfur modification and the antioxidation function need also to be revealed. .The project aims at the elucidation of the underlying molecular mechanism of the ROS scavenging reaction as well as DNA phosphorothioation process, and trying to reveal the relationship between them. The project will set up the in vitro DNA phosphorothioate modification and ROS scavenging reaction first, and then employ the CryoEM technique, to capture the structural changes of the DNA modification complex during the two biochemical reaction processes. The obtaining of the high-resolution structures of the bi-functional catalytic process will shed light on the understanding of this novel DNA modification and its biological function.

DNA及其相关酶系机制的研究，是生命科学基础研究的核心内容之一。细菌DNA骨架上广泛存在一种硫氧互换的特殊修饰，称为DNA硫修饰。 课题组前期论证了硫修饰菌株具有抗氧化的生存优势，但其清除活性氧的体外生化机理尚未知晓；骨架的硫修饰过程与修饰后的抗氧化功能之间的关系及相应机理需要阐述。.本项目拟从体外表征DNA硫修饰复合物清除活性氧及其骨架修饰过程的生化参数。应用冷冻电镜（CryoEM）的单颗粒重构技术，对天然状态下的硫修饰复合物的单颗粒进行三维重构, 获得响应活性氧以及硫氧互换两个生化过程中的硫修饰复合体的瞬时构像变化。 通过多种状态下的高分辨蛋白复合物的结构， 来帮助我们理解DNA硫修饰蛋白复合物在行使双功能过程中的生化与结构机理，为理解自然界DNA磷硫酰化修饰的分子机理和其抗氧化优势的生物学意义奠定理论基础。

最常见的遗传物质核酸是由五碳糖、含氮碱基和磷酸桥接构成。DNA修饰是常规核酸的补充。修饰核酸的表观遗传学作为生物体保护自身遗传稳定性的机制, 与复杂的生命现象，如遗传发育、疾病发生及细菌的致病性等密切相关。早在三十多年前，本团队发现了异常的DNA，受到国内外研究人员的关注，相继发表研究论文50多篇，其遗传学、生理生化及其功能逐一解析：利用微生物遗传学锁定了这种修饰是五个成簇的基因决定的遗传表型；解析了DNA磷酸骨架中的磷被硫亲和取代，修饰蛋白复合物通过自由基反应将硫替换到DNA磷骨架上，赋予宿主清除细胞内自由基，防止DNA硫骨架和磷酸骨架被自由基攻击的氧化损伤的双重功能；生物信息学分析揭示了这种修饰遗传现象在微生物界具有一定的普遍性。随着研究的不断深入，DNA硫修饰的多重生理功能被逐一揭示：抗核酸酶降解，修饰限制功能，多重抗氧化能力，抗噬菌体攻击。随着研究的不断拓展，揭示天然DNA骨架上硫修饰的更多功能，为理解这种奇妙的修饰和拓展其应用提供新思路。