《轉錄因子和DNA序列結合機制的系統生物學研究》是依託中山大學，由謝志擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：轉錄因子和DNA序列結合機制的系統生物學研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：謝志
- 依託單位：中山大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
轉錄因子在基因轉錄調控中起著十分重要的作用。轉錄因子的缺陷或與靶DNA序列的錯誤結合會引起基因轉錄失調，從而導致各種的疾病發生。我們在過去的研究中，利用高通量蛋白質晶片首次大規模地鑑定了蛋白質對DNA序列的結合譜。為了進一步揭示轉錄因子和DNA序列相互結合的機制，本項目擬結合高通量轉錄因子DNA結合數據及轉錄因子DNA複合體晶體結構, 採用生物信息和生物實驗相結合的手段，發現並驗證轉錄因子序列上影響DNA結合特異性的關鍵胺基酸位點及其對DNA結合特異性的影響。除了證實傳統認為的與DNA交界面上的胺基酸位點對DNA的調控機制，需要強調的是，本項目的前期工作首次提供了共進化的胺基酸位點對DNA結合有遠程調控作用的證據，我們將進一步深入研究其潛在機理。本項目的研究思路強調系統性和全面性，預期研究結果將突破傳統理論認識，有助於加深基因轉錄調控機制的理解，為轉錄失控相關的疾病的發生機制提供重要線索。
結題摘要
通過蛋白結構域特異性結合DNA序列，轉錄因子可特異地調控基因表達。為了維持DNA結合特異性，轉錄因子在結構上和序列上的特性可以保證其準確地識別DNA結合位點。然而，轉錄因子結構域胺基酸位點的共進化同DNA結合間的相互關係仍未深入研究。本研究假設“轉錄因子DNA結合域內胺基酸共進化與轉錄因子-DNA結合特異性相關”。為了檢驗此假設，我們系統收集了已發表的轉錄因子-DNA結合數據，這些數據均來自於蛋白質結合晶片（PBM）、細菌單雜交系統（B1H）和指數級富集配體進化技術（SELEX）。經過嚴格統一的數據預處理策略，我們共獲得903個轉錄因子及其DNA模序數據，這些數據主要來自於小鼠（38.3%）、人（19.2%）、果蠅（26.9%）、酵母（11.4%）和秀麗線蟲（4.2%）。數據共包含九個轉錄因子家族，其中前三個最大的蛋白質家族有Homeobox（32.6%）、zf-C2H2（21.9%）和HLH（13.6%）。首先，我們系統分析了轉錄因子亞家族的結合異質性，並識別了亞家族特異性決定位點（SDS）；兩階SDS胺基酸對子的Fisher確切檢驗發現關鍵胺基酸位點的胺基酸類型和頻率具有顯著相關性。進而，我們採用集成的共進化分析策略深入分析了關鍵胺基酸位點的共進化趨勢。研究發現，對於所有轉錄因子超家族，轉錄因子DNA結合域中超過85%的胺基酸位點受到共進化約束。共進化不僅發生在特異性胺基酸位點間，還發生在非特異性胺基酸位點中。通過序列和結構比對算法，我們將共進化胺基酸位點比對到已知的轉錄因子-DNA複合物晶體結構上。結構分析發現，臨近的胺基酸位點傾向以“塊”的形式共進化；值得注意的是，我們發現有部分空間距離較大的胺基酸位點也會發生共進化。計算機突變模擬分析發現，對於空間上間隔較遠的共進化胺基酸位點，突變任一胺基酸位點或DNA結合序列鹼基都會破壞轉錄因子-DNA複合物的穩定性。這些研究揭示了轉錄因子DNA結合域內胺基酸位點的共進化對DNA特異性結合具有重要作用，證實了我們的假說。我們的研究拓展了當前關於“轉錄因子-DNA特異性結合”的認知，對基因轉錄調控研究具有一定的理論推動意義。
