Molekulární dynamika RNA přepínačů

Bc. Michal JANEČEK

Master's thesis

Molecular dynamics of riboswitches

Abstract:

Riboswitches are structural elements of non-coding mRNA regulating expression of their associated genes by changing their conformation in response to concentration of small molecules. As they are present mainly in bacteria, including the pathogenic bacteria species, they could be promising targets of newly designed therapeutics. Thus understanding of mechanism of riboswitch action is important object of interest. Two general types of action and ligand binding are suggested conformational selection vs. induced fit. The mechanism can be revealed by determining the 3D structure of the riboswitch in ligand-bound and ligand-free states using X-ray diffraction, however, despite crucial role of the X-ray diffraction, its structural predictability might be to some extent limited by crystal packing. Nonetheless, the effect of crystal packing on the structure can be revealed using computational methods. In this work, we applied contemporary computational methods (in particular molecular dynamics, metadynamics and replica exchange molecular dynamics) to study structural dynamics of two riboswitches and to reveal the roles of the structures obtained by X-ray crystallography in mechanisms of their action. In particular, we studied structural dynamics of SAM-III riboswitch from Enterococcus faecalis, and preQ1-I riboswitch from Thermoanaerobacter tengcongensis, both in their ligand-bound and ligand-free states, respectively.

Abstract:

RNA přepínače jsou strukturní prvky lokalizované v nekódující části mRNA, které regulují expresi příslušného genu, a to tak, že v závislosti na koncentraci určité malé molekuly mění svou konformaci. Protože se nacházejí především v bakteriích, včetně patogenních druhů, mohly by RNA přepínače být slibnými cíli pro nově navrhovaná léčiva. Proto je pochopení mechanismu účinku RNA přepínače důležitým předmětem zájmu. Jsou navrhovány dva obecné typy mechanismu účinku a navázání ligandu "conformational capture" a "induced fit". Ke zjištění, o jaký mechanismus jde, může významně přispět rentgenové difrakce a určení trojrozměrné struktury RNA přepínače ve stavu s navázaným ligandem a bez něj. Nicméně, i když má tato metoda klíčový význam pro studium struktury RNA přepínačů, její prediktibilita může být do jisté míry omezena, protože uspořádání v monokrystalu může být ovlivněno krystalovými kontakty. Tento artefakt však může být odhalen pomocí výpočetních metod. V této práci jsme použili současné výpočetní metody (konkrétně molekulovou dynamiku, metadynamiku a "replica exchange" molekulovou dynamiku) pro studium strukturní dynamiky dvou RNA přepínačů, a také abychom objasnili, jakou úlohu v mechanismu účinku těchto RNA přepínačů hrají struktury určené rentgenovou difrakcí. Konkrétně jsme studovali strukturní dynamiku SAM-III RNA přepínače z bakterie Enterococcus faecalis, a preQ1-I RNA přepínače z bakterie Thermoanaerobacter tengcongensis, a to jak ve stavu s navázaným ligandem, tak bez ligandu.

Keywords

RNA přepínače, riboswitche, molekulární dynamika, metadynamika, molekulární dynamika s výměnou replik, REST2, REFT, SAM-III riboswitch, preQ1-I riboswitch

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 9. 5. 2016

Accessible from:: 9. 5. 2016

Thesis defence

• Supervisor: doc. Mgr. Pavel Banáš, Ph.D.

PALACKÝ UNIVERSITY OLOMOUC

Faculty of Science

Master programme / field:
Chemistry / Physical Chemistry