Aspects of DNA Strand Exchange: Recombination Proteins and Model System Studies
Doktorsavhandling, 2010

DNA recombination is of fundamental importance to all living cells; it is part of the DNA repair machinery and a means to generate genetic diversity. DNA strand exchange, the exchange of strands between homologous DNA molecules, is the central reaction of the recombination process. The work presented in this Thesis has the aim of gaining insight into the mechanism of this reaction by investigating different aspects of DNA strand exchange. Structural studies of recombinase nucleoprotein filaments, which constitute the scaffold for the reaction in vivo, are reported together with investigations of artificial strand exchange in two different model systems. The structures of active RecA and Rad51 nucleoprotein filaments have been studied by Site-Specific Linear Dichroism (SSLD), a spectroscopic approach based on linear dichroism in combination with molecular replacement of individual amino acids. In this Thesis it is shown how LD data of systematically engineered proteins can provide angular orientations for specific residues and how these coordinates can be used to build a structural model of the protein. From SSLD data of RecA it is concluded that the protein adopts similar structures in the initial and final states of strand exchange, indicating a static role for RecA during the reaction. The study of the human Rad51 protein illustrates how experimental data from SSLD can be successfully combined with theoretical molecular modelling. The outcome is a model structure of the protein in its active complex with DNA, the first detailed structure reported so far for the complete human Rad51 protein. This Thesis reports on artificial strand exchange catalysis aided by cationic lipid vesicles and it is shown that DNA opens up in a zipper-like fashion, which facilitates strand exchange. It is further concluded that the exchange mechanism on the liposome surface is fundamentally different from that in bulk solution. Non-ionic catalysis has been investigated by the use of PEG to induce molecular crowding and provide possibilities for hydrophobic interactions. PEG accelerates strand exchange dramatically and the results emphasize the importance of hydrophobic interactions between DNA and its environment for the dynamic behaviour of DNA strands.

DNA strand exchange

cationic liposome

Rad51

Site-Specific Linear Dichroism

RecA

molecular crowding

KC-salen, Kemigården 4, Chalmers, Göteborg
Opponent: Professor Andrzej Stasiak, University of Lausanne, Schweiz

Författare

Karolin Frykholm

Chalmers, Kemi- och bioteknik, Fysikalisk kemi

Enhanced DNA strand exchange on positively charged liposomes

Soft Matter,; (2008)p. 2500 - 2506

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Mechanism of DNA Strand Exchange at Liposome Surfaces Investigated Using Mismatched DNA

Langmuir,; Vol. 25(2009)p. 1606-1611

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Structure of human Rad51 protein filament from molecular modeling and site-specific linear dichroism spectroscopy

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,; Vol. 106(2009)p. 13248-13253

Artikel i vetenskaplig tidskrift

DNA-strängutbyte, den centrala reaktionen i en process där bitar av DNA byter plats och kan kombineras ihop på nya sätt, är fundamentalt viktigt för alla levande celler. Processen utgör en del av det maskineri som används för att reparera DNA men är också ett sätt att åstadkomma genetisk variation. Arbetet som presenteras i den här avhandlingen har som mål att kartlägga reaktionsmekanismen genom att undersöka DNA-strängutbyte ur olika aspekter. Strukturen av de proteiner som påskyndar reaktionen i cellen har studerats, liksom strängutbyte i två olika modellsystem. Det bakteriella rekombinationsproteinet RecA och den mänskliga motsvarigheten Rad51 har studerats med en spektroskopisk teknik baserad på planpolariserat ljus. I den här avhandlingen visas att orienteringen av specifika aminosyror i proteinet kan beräknas utifrån spektroskopiska mätningar gjorda på systematiskt modifierade proteiner och att den informationen kan användas för att bygga en modell av det aktiva proteinets struktur. I de modellstudier av strängutbyte som presenteras i den här avhandlingen har det framkommit att reaktionen påskyndas på en positivt laddad partikelyta och att den negativt laddade dubbelsträngade DNA-molekylen öppnas som ett blixtlås från ena änden för att möjliggöra strängutbyte. En oladdad polymer har också visat sig kunna påskynda strängutbytet avsevärt genom att begränsa utrymmet för DNA-molekylerna, vilket lokalt ökar koncentrationen, och ge möjlighet till hydrofoba interaktioner.

Ämneskategorier

Fysikalisk kemi

ISBN

978-91-7385-448-1

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 3129

KC-salen, Kemigården 4, Chalmers, Göteborg

Opponent: Professor Andrzej Stasiak, University of Lausanne, Schweiz