特异性蛋白酶介导的去转录遏制——一种新型DNA损伤响应新机制

We have identified a special SOS-like damage response system through a number of genetics and biochemistry experiments in Deinococcus radiodurans, which is regulated by a novel protease (PprI) and a novel transcription inhibitor (DdrO). When genome of the bacteria is damaged, PprI is activated in some way and digests DdrO to relieve the transcriptional suppression of numerous damage response genes. This project is aimed to deeply investigate the regulation mode of DdrO transcription , activation way of PprI , cleavage mechanism of DdrO by PprI, so as to analyze the molecular mechanism of PprI-DdrO damage response, with the use of structural biology, molecular biology, biochemistry and genetics research techniques. The results are expected to strongly enrich the current biological damage response system, and provide theoretical basis for the development and application of the novel protease and transcription inhibitor as well.

本课题组此前通过大量遗传学和生物化学实验在耐辐射奇球菌体内鉴定到一个特殊的SOS-like损伤响应系统，该系统为耐辐射奇球菌属所特有，由一个新型蛋白酶（PprI）和一个新型的转录抑制因子（DdrO）来调控。当菌体受外界损伤刺激时，PprI蛋白通过某种方式被激活，对转录抑制子DdrO进行酶切，使转录抑制得以解除，损伤响应基因获得高水平转录和表达，帮助机体抵抗艰难环境。本项目采用结构生物学、分子生物学、生物化学和遗传学等研究手段，从分子水平深入研究DdrO的转录调控模式、PprI的活化方式、PprI酶切DdrO的催化机制，从而解析PprI-DdrO损伤响应的分子机制。预期取得的成果将对现有生物体损伤响应的分子机理进行有力补充，并为新型蛋白酶PprI和新型转录因子DdrO的开发应用提供理论依据。

奇球菌是一类够忍受强烈电离辐射、紫外照射和化学诱变剂等极端压力胁迫的微生物。其中耐辐射奇球菌和中度嗜热菌都是研究胁迫抗性的模式生物。PprI-DdrO是该类细菌中一套高效的DNA损伤响应系统。PprI作为响应胁迫的重要开关蛋白，能够酶切DdrO来解除其转录遏制，继而启动体内相关基因的转录。然而这套系统究竟是如何响应损伤信号，以及PprI如何解除DdrO的转录遏制尚不清楚。本项目成功解析了DdrO蛋白的晶体结构，发现其以一种特殊的二聚体形式存在，由三个结构域组成，且都参与了DdrO蛋白二聚化的构象稳定；验证了DdrO结合启动子DNA的重要氨基酸残基，并且提出了其结合DNA的模式；探索发现了一种存在于大部分转录调控因子中的保守结构元件，参与DdrO蛋白的二聚化以及DNA结合；进一步分析了DdrO蛋白的C末端结构域，发现其构成了一个稳定的疏水核心，PprI通过酶切DdrO蛋白最后一个α螺旋来破坏C末端的疏水中心，使其从底物DNA上脱落，最终解除转录遏制；发现损伤DNA可以直接激活PprI蛋白的酶切活性，单链DNA通过与PprI蛋白的R85、R152、R207及R267等氨基酸残基的结合改变蛋白构象，以增强其酶切活性；PprI蛋白以单体的形式进行单链DNA的结合以及DdrO蛋白的酶切。上述PprI-DdrO响应途径的单链激活及去转录遏制机制，为新型蛋白酶PprI和新型转录因子DdrO的开发应用提供理论依据。