Charakterizace fylogeneticky divergovaných strukturních motivů telomerické DNA

Mgr. Martin Gajarský, Ph.D.

Doctoral thesis

Characterization of phylogenetically diverged structural motifs in telomeric DNA

Abstract:

Telomery jsou DNA-proteinové komplexy sloužící jako ochranná “víčka” lineárních eukaryotických chromozomů. Telomerická DNA se skládá z krátkých tandemových repetic se silným rozlišením G a C bohatých řetězců. Většina eukaryotických organismů má 3'-G-bohaté telomerické přesahy s inherentní schopností skládat se do nekanonických DNA sekundárních struktur, G-kvadruplexů. Tato disertační práce popisuje strukturní studii fylogeneticky divergovaných telomerických DNA motivů. Zaměřením se na organismy s aberantními telomerickými rysy (nepravidelná primární sekvence, neobvyklá délka přesahu) jsme cílili k objasnění obecných strukturních charakteristik konzervovaných během evoluce. Studiem telomerických repetic tří fylogeneticky vzdálených organismů (Saccharomyces cerevisiae, Allium cepa, Caenorhabditis elegans) jsme byli schopni popsat čtyři různé, G-bohaté, ne-G-kvadruplexové telomerické DNA struktury. Tři z popsaných struktur jsou nové typy nekanonických sekundárních DNA struktur, zatímco čtvrtá je vlásenka obsahující mis-match pár bází. Naše výsledky naznačují, že přestože několik charakteristik telomerické DNA (primární sekvence, délka přesahu, typ přesahu, sekundární struktura) může být v průběhu evoluce změněno, schopnost vytvářet různé G-bohaté sekundární struktury se zdá být zachována, což naznačuje jejich klíčovou roli v biologii telomer.

Abstract:

Telomeres are DNA-protein complexes serving as protective “caps” of linear eukaryotic chromosomes. The telomeric DNA is composed of short tandem repeats with a strong G/C strand bias. The majority of the eukaryotic species possess 3’-G-rich telomeric overhangs with inherent ability to fold into non-canonical DNA secondary structures, G-quadruplexes. This dissertation thesis describes a structural study of phylogenetically diverged telomeric DNA motifs. Focusing on organisms with aberrant telomeric features (irregular primary sequence, unusual overhang length), it aimed to elucidate general structural characteristics conserved throughout evolution. By studying the telomeric repeats of three phylogenetically distant organisms (Saccharomyces cerevisiae, Allium cepa, Caenorhabditis elegans) we were able to describe four different, G-rich, non-G-quadruplex telomeric DNA structures. Three of the described structures are novel types of non-canonical DNA secondary structure while the fourth one being a mismatched hairpin. Our results indicate that while several telomeric DNA characteristics (primary sequence, overhang length, overhang type, secondary structure) may be altered throughout evolution, the ability to form various G-rich secondary structures seems to be conserved, suggesting their crucial role in telomeric biology.

Keywords

telomeric DNA, secondary structures, G-quadruplex, G-hairpin, Caenorhabditis elegans, Saccharomyces cerevisiae, Allium cepa, NMR spectroscopy

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 21. 2. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 17. 3. 2022
• Supervisor: doc. Mgr. Lukáš Trantírek, Ph.D.
• Reader: prof. Ing. Bohdan Schneider, CSc., Prof. Carlos Carlos González Ibañez

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biomolecular chemistry and bioinformatics / Biomolecular chemistry and bioinformatics