硫化叶菌染色质蛋白Cren7与Sul7d组织包装DNA的分子机制

Chromosomal organization and DNA packaging in hyperthermophilic Archaea thriving at high temperature have been the focus of research attention for decades. Much of the previous research has been carried out in Sulfolobus, a favored model organism for the study of hyperthermophilic Archaea. Building on the previous research findings, this project entails the investigation of Cren7 and Sis7d (a member of the Sul7d family), two Sulfolobus chromatin proteins, by using biochemical, genetic and structure biological approaches in the following three aspects: 1) molecular mechanisms underlining DNA condensation and looping by Cren7/Sis7d with emphasis on the influence of supercoil constraining and DNA bending by the two proteins on the processes; 2) distribution and binding patterns of Cren7/Sis7d on DNA with emphasis on sequence preference of the proteins and the effect of DNA sequences on the binding patterns of the proteins; and 3) Cooperative packaging of DNA, especially relaxed and positively supercoiled plasmid DNA isolated from Sulfolbus cells, by Cren7 and Sis7d. The aim of this project is to reveal the mechanisms of chromosomal DNA organization in Sulfolobus, and to improve our understanding of the adaptation of Sulfolobus to high temperature.

极端嗜热古菌在高温下的染色体组织包装机制一直是学界的研究热点，研究多在硫化叶菌中进行。本项目拟在前期研究的基础上，采用生物化学、遗传学、结构生物学等手段，利用冰岛硫化叶菌遗传操作系统，针对Cren7和Sis7d(Sul7d家族成员)开展以下三方面的工作。第一、Cren7/Sis7d介导DNA凝集和环化的分子机制：重点研究Cren7和Sis7d固定DNA负超螺旋以及弯曲DNA的能力对DNA凝集的影响；第二、Cren7/Sis7d在DNA上的分布和排列：重点研究Cren7的DNA序列偏好性以及DNA序列对Cren7排列方式的影响，并比较两种蛋白的差异；第三、Cren7/Sis7d协作包装DNA：重点研究Cren7/Sis7d混合样品对硫化叶菌质粒DNA的压缩包装。本项目的研究目标是揭示硫化叶菌染色质蛋白包装染色体DNA的机制，从而促进对这一独特生命形式的遗传机制及其热适应性的全面认识。

本项目以冰岛硫化叶菌染色质蛋白Cren7及Sis7d为切入点，研究这两种蛋白体外包装DNA的特点、机制及两种蛋白生理功能的区别，增加对极端嗜热古菌染色体DNA包装机制的认识。本项目的主要成果如下：（1）发现Cren7、Sis7d与基因组DNA共定位，主要分布在拟核中；（2）Cren7蛋白的loop β3-β4上的碱性氨基酸数目及loop的长度改变均影响其固定DNA负超螺旋的活性；（3）发现K21、K22、W24、V26、T33以及R43则对Sis7d与DNA的互作非常重要，而最后两个残基对Sis7d固定DNA负超螺旋也很重要；（4）Cren7倾向于结合富含AT的DNA，并且其结合不同DNA序列上对DNA构象产生不同的影响；（5）解析了Cren7与3种含有T/G错配的DNA的复合物晶体结构，发现Cren7可以稳定富含AT的DNA序列中T/G错配碱基对的开放构象；（6）解析了Cren7与2种20 bp DNA序列的复合物晶体结构，发现Cren7分子头尾相接、对称分布在DNA的两侧，将DNA向相反的方向弯曲，使DNA呈S形；（7）冰岛硫化叶菌细胞中Cren7及Sis7d的含量（分别约为1.8%和4.5%）在整个细胞周期基本保持不变；（8）单分子实验的结果表明，Cren7与Sis7明显表现出不同程度的压缩DNA的活性，而Sis10b则未表现出该活性。