Nucleotide excision repair (NER) promotes genomic integrity by correcting bulky DNA adducts damage caused by external factors such as ultraviolet light. Defects in NER enzymes are associated with pathological conditions such as Xeroderma Pigmentosum, trichothiodystrophy, and Cockayne syndrome. A critical step in NER is the binding of the Xeroderma Pigmentosum group A protein (XPA) to the DNA adduct. To better capture the dynamics of XPA interactions with DNA during NER we have utilized the fluorescence enhancement through non-canonical amino acids (FEncAA) approach. 4-azido-L-phenylalanine (4AZP) was incorporated at Arg-153 in human XPA and conjugated to Cy3 using strain-promoted azide-alkyne cycloaddition. The resulting fluorescent human XPA protein (hXPACy3) shows no loss in DNA binding activity and generates a robust change in fluorescence upon binding to DNA. Here we describe methods to generate hXPACy3 and detail experimental conditions required to stably maintain the protein during biochemical and biophysical studies.

Replication protein A (RPA) coordinates important DNA metabolic events by stabilizing single strand DNA (ssDNA) intermediates, activating the DNA damage response, and handing off ssDNA to appropriate downstream players. Six DNA binding domains (DBDs) in RPA promote high affinity binding to ssDNA, but also allow RPA displacement by lower affinity proteins. We have made fluorescent versions of RPA and visualized the conformational dynamics of individual DBDs in the context of the full-length protein. We show that both DBD-A and DBD-D rapidly bind to and dissociate from ssDNA, while RPA as a whole remains bound to ssDNA. The recombination mediator protein Rad52 selectively modulates the dynamics of DBD-D. This demonstrates how RPA interacting proteins, with lower ssDNA binding affinity, can access the occluded ssDNA and remodel individual DBDs to replace RPA.

ABSTRACT Molecular machines within cells dynamically assemble, disassemble, and reorganize. Molecular interactions between their components can be observed at the single-molecule level and quantified using colocalization single-molecule spectroscopy (CoSMoS), in which individual labeled molecules are seen transiently associating with a surface-tethered partner, or other total internal reflection fluorescence microscopy (TIRFM) approaches in which the interactions elicit changes in fluorescence in the labeled surface-tethered partner. When multiple interacting partners can form ternary, quaternary and higher order complexes, the types of spatial and temporal organization of these complexes can be deduced from the order of appearance and reorganization of the components. Time evolution of complex architectures can be followed by changes in the fluorescence behavior in multiple channels. Here, we describe the kinetic event resolving algorithm (KERA), a software tool for organizing and sorting the discretized fluorescent trajectories from a range of single-molecule experiments. KERA organizes the data in groups by transition patterns, and displays exhaustive dwell-time data for each interaction sequence. Enumerating and quantifying sequences of molecular interactions provides important information regarding the underlying mechanism of the assembly, dynamics and architecture of the macromolecular complexes. We demonstrate KERA’s utility by analyzing conformational dynamics of two DNA binding proteins: RPA and XPD helicase.