DNA与基因转录调控蛋白间特异相互作用的单分子力谱表征

Most of genes expressed in prokaryotic or eukaryotic cells are tightly regulated, which is essential for those cells to process complicated and organized works in their life. Transcriptional regulation (TR) is the most important pathway to regulate gene expressions, in which transcriptional regulators can active or repress the transcription of specific genes by means of directly binding to them. Therefore, mapping the specific interactions between the transcriptional regulators and their corresponding genes is the key to elucidate the underlying molecular mechanisms in transcriptional regulations. However, such an interaction still cannot be directly resolved in a single molecular level. Here, by using a combination of modern single-molecular tools and molecular biology to manipulate and imaging DNAs and proteins in a single molecular level, we propose a complete solution to resolve the interactions between the transcriptional regulators and their corresponding genes in terms of single molecular force spectroscopy. In this context, we will revisit three established TR pathways, including lac operon, arabinose operon and transcriptional activation by phosphokinase. Finally, we will explore the underlying molecular mechanism that determines the specific gene expressions by correlation the measurements arising from single molecular force spectroscopy and corresponded gene expressions in real cells.

基因在原核与真核细胞中的可控表达是细胞进行有序受控生命过程的必要条件，而由转录调控蛋白与DNA序列特异相互作用控制的基因转录的开启与关闭是实现基因可控表达的最普遍途径，所以表征DNA与转录调控蛋白的相互作用是有关生命最基本过程的重要科学问题。但是目前仍缺少在单分子力谱这一层面能直接对DNA与转录调控蛋白相互作用进行表征的手段，从而限制了人们对基因可控转录内在分子机制的认知。针对以上问题，通过紧密结合对DNA和蛋白质操控、观测的单分子手段和现代分子生物学技术，我们提出一整套可直接表征单分子DNA序列与转录调控蛋白相互作用的单分子力谱方法。我们将利用建立的单分子力谱表征手段，系统地表征以乳糖操控、阿拉伯糖操控及磷酸化操控为代表的三种基因可控转录系统。通过关联测得的单分子力谱曲线与其对应基因在细胞中的实际表达量，从基因-蛋白相互作用层面来进一步阐明基因转录调控与基因转录调控与基因表达之间的关系

基因在原核与真核细胞中的可控表达是细胞进行有序受控生命过程的必要条件，而由转录调控蛋白与DNA序列特异相互作用控制的基因转录的开启与关闭是实现基因可控表达的最普遍途径，所以表征DNA与转录调控蛋白的相互作用是有关生命最基本过程的重要科学问题。但是目前仍缺少在单分子力谱这一层面能直接对DNA与转录调控蛋白相互作用进行表征的手段，从而限制了人们对基因可控转录内在分子机制的认知。不仅如此，在生物研究体系内，细菌在表面的附着与生物膜的形成紧密相连。 虽然人们对这一过程中与表面相关的行为，如单细菌运动和表面感知等进行了深入的研究，但附着细菌与表面之间的分离距离的确切信息仍然不清楚。以上问题都亟需一整套表征手段来对相应的生物体系进行定量表征。在本计划研究进展过程中，我们搭建了一台棱镜全内反射暗场显微镜（p-TIRDFM）并将其结合微流控方法，成功的对单个附着细胞的分离距离进行成像。我们直接观察到细菌以一个最近的接触点附着在表面，并且随着细胞分裂，逐渐变为两个接触点并分别分配给两个子代。我们首先在纳米尺度上监测了细菌在表面蹭行时相对距离的波动，并进一步建立了蹭行速度与分离距离之间的关系。结果表明，运动细菌离表面有相当大的距离，且分离距离的波动比静止细菌大。