Struktura, dynamika a reakční mechanismus RNA enzymů

Mgr. Vojtěch MLÝNSKÝ

Doctoral thesis

Structure, Dynamics and Reaction Mechanism of RNA Enzymes

Abstract:

The source of RNA catalytic power is not widely understood and theoretical approaches (especially molecular dynamic (MD) simulations combined with multiscale quantum mechanical/molecular mechanical (QM/MM) calculations) are able to provide structural and mechanistic description of processes in biomacromolecules. We investigated the structural dynamics and reaction mechanism of RNA backbone self-cleavage catalyzed by two small self-cleaving ribozymes, i.e., hairpin and hepatitis delta virus (HDV) ribozymes. In the hairpin ribozyme, we observed two different reaction mechanism with the overall barrier in agreement with experiments: (i) combined general acid/general base mechanism, where N1-deprotonated guanine 8 (G8) and protonated adenine 38 (A38H+) participate directly in the reaction as general base and general acid, respectively, and (ii) proton shuttling scenario, where both catalytically essential nucleobases (canonical G8 and protonated A38H+) are not directly involved in the cleavage and the proton is transferred via nonbridging oxygen of the scissile phosphate. Both mechanism are energetically close and might be in competition. In the HDV ribozyme, we followed reaction path, where the hydroxide ion coordinated to the Mg2+ ion activates the U1(2'-OH) nucleophile. We obtained various activation barriers, which are dependent on the specific position and coordination of the Mg2+ ion in the active site. The QM/MM energies indicate significant pKa shift of the nucleophilic 2'-OH group in the active site of HDV ribozyme that contribute to catalysis due to easier activation of such 2'-OH nucleophile.

Abstract:

Principy a povaha RNA katalytických reakcí nejsou plně objasněny a teoretické přístupy (zejména molekulární dynamické (MD) simulace v kombinaci s kombinovanými kvantově mechanickými/molekulárně mechanickými (QM/MM) výpočty) umožňují detailní popis procesů v biomakromolekulách. Cílem práce byl popis strukturní dynamiky a energetiky (reakčního mechanismu) samoštěpení RNA cukr-fosfátové páteře katalyzované dvěma malými ribozymy ze skupiny "small self-cleaving ribozymes", tj., hairpin a hepatitis delta virus (HDV) ribozymy. V hairpin ribozymu jsme pozorovali dva různé reakční mechanismy s aktivační bariérou v souladu s experimenty: (i) mechanismus obecné kyseliny a obecné báze, kde se N1-deprotonovaný guanin 8 (G8) a N1-protonovaný adenin 38 (A38H+) přímo účastní reakce jako obecná báze a obecná kyselina a (ii) odlišný mechanismus, kde se obě klíčová rezidua pro katalýzu (kanonický G8 a protonovaný A38H+) nepřímo účastní reakce a proton přechází přes "nonbridging" kyslíkový atom štípaného fosfátu. Oba mechanismy jsou energeticky ekvivalentní, a tak se zdají být kompetitivní. V HDV ribozymu jsme sledovali průběh reakcí, kde hydroxyl anion koordinovaný na Mg2+ kation aktivuje U1(2'-OH) nukleofil. Vypočítali jsme různé aktivační bariéry, které závisí na konkrétní pozici a koordinaci Mg2+ iontů v aktivním místě. QM/MM energie naznačují významný posun disociační konstanty hydroxylové skupiny v aktivním místě HDV ribozymu, který bude přispívat ke katalýze v důsledku snadnější aktivace U1(2'-OH) nukleofilu.

Keywords

RNA, QM/MM, MD simulace, katalýza, ribozym, cukr-fosfátové štěpení, obecná báze, obecná kyselina, aktivační bariéra

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 2. 7. 2014

Accessible from:: 2. 7. 2014

Thesis defence

• Supervisor: Prof. RNDr. Michal Otyepka, Ph.D.

PALACKÝ UNIVERSITY IN OLOMOUC

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry / Physical Chemistry