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RecN motor activity drives RecA-mediated homology search in bacterial 3D genomes
Ankit Gupta
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Molekulare Biologie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium Naturwissenschaften (Lebenswissenschaften): Molekulare Biologie
Betreuer*in
Anton Goloborodko
DOI
10.25365/thesis.82149
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-31293.72243.498629-5
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
DNA-Doppelstrangbrüche (DSBs) sind häufige Schäden, die während der Genomreplikation und anderer zellulärer Prozesse entstehen. In Bakterien werden diese Brüche durch homologe Reparatur (HDR) behoben, bei der RecA ein präsynaptisches Nukleoproteinfilament am aufbereiteten einzelsträngigen DNA-Ende des Bruchs bildet. Dieses Filament muss das bakterielle Genom nach einer homologen Matrize absuchen, um die Stranginvasion und die Reparatur einzuleiten. Frühere Studien zeigten, dass RecN, ein bakterielles SMC-ähnliches Protein, für eine effiziente DSB-Reparatur in Caulobacter crescentus essenziell ist, wo es die Pol-zu-Pol-Translokation des RecA-Filaments fördert und die Homologiesuche verbessert. Der physikalische Mechanismus, durch den RecN diese intrazelluläre Bewegung antreibt, bleibt jedoch unklar. Hier stelle ich die Hypothese auf, dass RecN, ähnlich wie andere SMCs, als DNA-Motor fungieren könnte und, wenn es an ein RecA-Filament gebunden ist, die Filamentbewegung antreibt, indem es vorübergehend an benachbarte DNA andockt. Um diese Hypothese zu überprüfen, habe ich ein grobkörniges Polymermodell entwickelt, in das RecN als an ein RecA-Filament gebundener DNA-Motor integriert ist. Die Simulationen zeigen, dass bereits eine geringe Anzahl von RecN-Molekülen eine produktive Bewegung erzeugen und die Homologiesuche beschleunigen kann. Das Modell erklärt zudem die Notwendigkeit der Steifigkeit des RecA-Filaments für die Richtungsbeständigkeit und sagt die mikroskopische Anordnung des Filaments und der DNA an den beiden Enden der Bruchstelle voraus. Schließlich legt das Modell nahe, dass die durch RecN gesteuerte Translokation die Homologiesuche in anderen bakteriellen Systemen verbessern könnte. In einem E. coli-ähnlichen Modell erklärt die Motoraktivität von RecN die experimentellen Beobachtungen besser als bisher vorgeschlagene Modelle. In einer sphärischen Geometrie verbessert sie die Sucheffizienz in erster Linie durch die Steigerung der Filamentmobilität und der Genomerkundung. Da die RecA-vermittelte Reparatur und das RecN-Protein weitgehend konserviert sind, könnte eine ähnliche motorunterstützte Filamentbewegung eine allgemeine Strategie zur Verbesserung der genomweiten Homologiesuche darstellen, auch wenn artspezifische Chromosomenorganisation und Reparaturdynamik ihre Wirksamkeit beeinflussen könnten.
Abstract
(Englisch)
DNA double-strand breaks (DSBs) are common lesions that arise during genome replication and other cellular processes. In bacteria, these breaks are repaired through homology-dependent repair (HDR), in which RecA forms a presynaptic nucleoprotein filament on the processed single-stranded DNA end of the break. This filament must search the bacterial genome for a homologous template to initiate strand invasion and repair. Previous studies showed that RecN, a bacterial SMC-like protein, is essential for efficient DSB repair in Caulobacter crescentus, where it promotes pole-to-pole translocation of the RecA filament and enhances homology search. However, the physical mechanism by which RecN drives this intracellular motion remains unclear. Here, I propose that, akin to other SMCs, RecN may work as a DNA motor, and when bound to RecA filament, it may drive filament motion by transiently engaging nearby DNA. To test this hypothesis, I developed a coarse-grained polymer model where RecN is incorporated as a RecA filament bound DNA motor. The simulations show that a small number of RecN molecules can generate productive motion and accelerate homology search. The model further explains the necessity of the RecA filament rigidity for directional persistence, and predicts the microscopic arrangement of the filament and DNA from the two ends of the break site. Finally, the model suggests that RecN-driven translocation may enhance homology search in other bacterial systems. In an E. coli-like model, RecN motor activity explains the experimental observations better than previously proposed models. In a spherical geometry it improves search efficiency primarily by enhancing filament mobility and genome exploration. Since RecA-mediated repair and RecN protein is broadly conserved, similar motor-assisted filament motion could provide a general strategy for improving genome-wide homology search, although species-specific chromosome organization and repair dynamics may modulate its effectiveness.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen Homologe Rekombination Homologiesuche DNA-Dynamik Genomstabilität Polymersimulationsmodell RecA-Filament Molekularer Motor
Schlagwörter
(Englisch)
DNA double-strand break repair Homologous recombination Homology search DNA dynamics Genome stability Polymer simulation model RecA filament Molecular motor
Autor*innen
Ankit Gupta
Haupttitel (Englisch)
RecN motor activity drives RecA-mediated homology search in bacterial 3D genomes
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
95 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Verena Jantsch-Plunger ,
Aurèle Piazza
AC Nummer
AC18053712
Utheses ID
81860
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 490 |