硫修饰DNA结合蛋白的发现及其结构和功能研究

DNA phosphorothioation is the swap of nonebridging oxygen with sulfur atom of DNA phoshodiester bond in a sequence- and Rp configuration-specific way. Whether sulfur-modified DNA bears epigenetic information as methylated DNA does depends on if there exists any protein that specifically recognizes sulfur-modified DNA as the coding information by the modified DNA can only be read or translated via its interaction with the binding proteins, and finally transferred to downstream metabolic pathways. As at least four types of 5mC-binding proteins have been revealed so far, we propose there are versatile S-binding proteins in prokaryotes in consideration of the prevalence and sequence specificity of DNA sulfur modification. On the basis of discovery of the first DNA sulfur binding protein, this project will identify more DNA sulfur binding proteins to reveal their versatile models in the recognition of sulfur atom. Functional analysis of these binding proteins will be carried out, so will the target genes regulated by these binding protein in the light of availability of sulfur genome sequence and RNA-Seq data. This study will provide solid functional information for this new type of epigenetic modification.

DNA硫修饰是DNA磷酸基团上非桥接的氧原子被硫原子取代，形成的Rp构型的磷硫酰化。DNA磷酸基团上的硫修饰是否和DNA碱基上的甲基化一样携带表观遗传信息取决于是否存在特异性识别硫修饰DNA的蛋白，因为DNA修饰的表观遗传信息只有间接通过与其相互作用的蛋白才能被读取和传递给下游代谢途径。考虑到至少存在四类蛋白能够特异性识别DNA 5-甲基胞嘧啶，加上DNA硫修饰序列特异性和普遍性，我们推测细菌中存在多种类型的硫修饰结合蛋白。在鉴定了一大类SBD结构域（Sulfur binding domain）蛋白的基础上，本项目拟高通量钓取硫修饰DNA结合蛋白，揭示它们（包括SBD）识别DNA硫原子的多样化模型，结合已有的硫修饰基因组和转录组数据，考察这些结合蛋白及其结合靶点基因编码的蛋白功能，全面了解DNA磷酸骨架表观修饰的功能。

DNA硫原子的识别机制的揭示及其应用.一个多世纪以来，多种重要的生物分子中含硫陆续被揭示。但是，硫原子被蛋白质识别的分子机制却鲜有研究涉及，迄今无一例特异性蛋白结构域识别硫原子。修饰依赖型限制酶ScoMcrA可特异性识别和切割硫修饰DNA，它编码了一个硫结合结构域（SBD）将硫原子精确包埋在一个疏水口袋中。与氧原子相比，硫原子半径更大，呈现出较弱的电负性，因而具有疏水的特性。SBD结构域表面疏水坑与硫原子紧密结合，从而能甑别硫和氧，这种新颖的硫识别机制，对于探索硫在生命过程中扮演的重要角色有积极的意义。SBD结构域的同源蛋白存在于2000种以上细菌中，其中最小的一个SBD-HNH核酸酶SprMcrA对不同的硫修饰DNA序列结合力有明显差异，我们精确定位了它切割硫修饰DNA的切割位点，发现结合力的差异影响它切割不同硫修饰序列DNA的效率。为了解释SBDspr与不同硫修饰DNA序列结合力的差异，我们解析了它与3种DNA硫修饰序列的共晶结构，解释了它对GsGCC>GsAAC>GsTTC结合力大小的机理，同源蛋白结构比较发现：SBDsco与DNA磷酸骨架在Loop4-5有一个明显的排斥力，而SBDspr在该处和DNA骨架是相互吸引的作用力，这个差异影响到了它的序列选择性。基于SBD能很好的甑别硫和非硫DNA的能力，我们将SBD与人的腺嘌呤脱氨酶偶联，成功的在大肠杆菌和人的细胞中进行了RNA编辑，硫修饰的RNA可以使编辑效率提高25%左右，SBD作为一种新型DNA靶向工具，在核酸体外检测方面也有很大的应用前景，这部分工作已在开展当中。