Analýza DNA vazebných proteinů se zaměřením na jejich interakce s lokálními strukturami DNA

Mgr. Natália Valková, Ph.D.

Doctoral thesis

Analysis of DNA binding proteins with a focus on their interaction with local DNA structures

Abstract:

The interaction of proteins with nucleic acids is a key property of fundamental molecular processes, such as replication, gene expression, DNA repair, or immune response. The dissertation thesis is focused on the interactions of two DNA-binding proteins, the foreign DNA sensor interferon γ inducible protein 16 (IFI16) and the transcription factor p53, with G-quadruplexes (G4) and inverted repeats. G4 and inverted repeats were detected in all domains of life and have a regulatory role in the genome. They represent promising therapeutic targets in tumor biology, various viral infections, and neurodegenerative diseases. Interactions of the p53 protein were investigated using an isogenic yeast reporter system with a putative G4-forming sequence inserted upstream of the reporter gene promoter. G4 inhibited p53-mediated transactivation and modulated p53 interactions with its isoforms, its family proteins, and its mutant variants. The DNA topology around the responsive element of p53 thus represents another level in the regulation of signaling pathways in which this transcription factor is involved. Interactions of IFI16 with DNA were investigated using atomic force microscopy. The type of interaction observed depended on the superhelicity of the DNA. Linear DNA induced the formation of protein oligomers, while superhelical DNA induced the formation of globular complexes of protein with DNA of lower molecular weight. Since the formation of a protein oligomer is crucial for the activation of a non-specific immune response by the IFI16 protein, specific interactions with superhelical DNA may represent a different functional mechanism, which could result in the repression of gene expression mediated by the IFI16 protein. The second part of the dissertation aimed to use bioinformatics methods to identify groups of viruses and target areas of the human genome which could be interesting in the studies of DNA-interacting proteins. An analysis of 11,000 viral genomes revealed a higher frequency of sequences with the potential to form G4 in viruses that tend to cause persistent infections. The study further revealed a correlation between the frequency of occurrence of sequences with G4-forming potential in viral and host genomes, indicating the evolutionary conservation of G4. Two chromosomes of the human genome were also examined for the occurrence of G4 and inverted repeats, the complete sequence of which was published in 2020.

Abstract:

Interakce proteinů s nukleovými kyselinami je klíčovou vlastností při zásadních molekulárních dějích, jakými jsou replikace, genová exprese, oprava DNA či imunitní reakce. Dizertační práce je zaměřena na interakce dvou DNA-vazebných proteinů, senzoru cizorodé DNA interferonem γ indukovatelného proteinu 16 (IFI16) a transkripčního faktoru proteinu p53, s G-kvadruplexy (G4) a inverzními repeticemi. G4 a inverzní repetice byly detekovány ve všech doménách života a mají v genomu regulační úlohu. Představují nadějné terapeutické cíle v nádorové biologií, při různých virových infekcích a neurodegenerativních onemocněních. Interakce proteinu p53 byly testovány prostřednictvím izogenního kvasinkového systému se sekvenci s potenciálem tvorby G4 začleněnou před promotorem reportérového genu. G4 způsoboval represi transaktivace proteinem p53 a moduloval interakci proteinu p53 s jeho izoformami, proteiny jeho rodiny a jejich mutantními variantami. Topologie DNA v okolí responzívní sekvenci p53 tak představuje další úroveň v regulaci signálních drah, do kterých je tento transkripční faktor zapojený. Interakce IFI16 s DNA byly zkoumány pomocí mikroskopie atomárních sil. Typ pozorované interakci závisel na superhelicitě DNA. Lineární DNA indukovala tvorbu proteinových oligomerů, zatímco superhelikální DNA tvorbu globulárních komplexů proteinů s DNA o nižší molekulové hmotnosti. Vzhledem k tomu, že tvorba proteinového oligomeru je klíčová pro aktivaci nespecifické imunitní reakce proteinu IFI16, specifické interakce se superhelikální DNA mohou představovat jiný funkční mechanizmus zajišťující represi genové exprese proteinem IFI16. Cílem druhé části dizertační práce bylo pomocí bioinformatických metod identifikovat skupiny vírů a cílové oblasti lidského genomu zajímavé z hlediska studia proteinů interagujících s DNA. Analýza 11000 virových genomů odhalila, že průměrná frekvence sekvence s potenciálem tvorby G4 je vyšší u virů, které mají tendenci způsobovat perzistentní infekce. Studie dále odhalila korelaci mezi frekvencí výskytu sekvencí s potenciálem tvorby G4 ve virových a hostitelských genomech, což poukazuje na evoluční konzervovanost G4. Pro výskyt G4 a inverzních repetic byly zkoumány rovněž dva chromozomy lidského genomu, jejichž kompletní sekvence byla zveřejněna v roce 2020.

Keywords

DNA, protein, virus, IFI16, p53, G-kvadruplex, G4Hunter, inverzní repetice

Language used: Slovak

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 7. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 29. 9. 2023
• Supervisor: prof. Mgr. Václav Brázda, Ph.D.
• Reader: doc. RNDr. Viktor Víglaský, PhD., Ing. Eva Kutejová, DrSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Molecular and Cell Biology and Genetics / Molecular and Cell Biology and Genetics