Vliv substituce guanin-inosin na stabilitu kanonických DNA a RNA duplexů

Mgr. Miroslav Krepl, Ph.D.

Advanced ('rigorózní') thesis

Effect of Guanine to Inosine Substitution on Stability of Canonical DNA and RNA Duplexes

Abstract:

Substituce guaninu za inosin (G->I) je často používanou metodou pro studium fyzikálně-chemických vlastností nukleových kyselin. Inosin se od guaninu primárně odlišuje pouze absencí atomové skupiny N2. Jejich elektrostatické potenciály jsou si podobné. Substituce G->I představuje tedy vhodnou metodu pro studium strukturních a termodynamických důsledků plynoucích z přítomnosti či absence jediné vodíkové vazby a atomové skupiny. Nedávné experimenty nicméně prokázali, že vliv substituce G->I na volnou energii molekuly se výrazně liší u B-DNA a A-RNA kanonických helixů. To naznačuje, že rozdíl ve volné energii zde existuje nejen na základě energie jedné vodíkové vazby, ale je rovněž závislý na celkovém kontextu molekuly. Touto rigorózní prací doplňujeme současné experimentální údaje o teoretické výpočty volné energie prováděné pomocí metody termodynamické integrace na základě molekulově dynamických simulací v explicitním solventu. Naše výpočty správně reprodukují kvalitativní rozdíl ve změnách volné energie při substituci G->I v B-DNA a A-RNA helixech, ačkoliv celková výše tohoto efektu je poněkud podhodnocená. Výpočty nicméně nedokázaly reprodukovat rozdíl ve změnách volné energie v závislosti na iontové síle. Navrhujeme tedy, že odlišný efekt substituce G->I v A-RNA a B-DNA helixech, může být závislý na odlišné helikální topologii těchto helixů, jež následně ovlivňuje elektrostatické interakce mezi páry bází a negativně nabitou páteří. V naší práci zmiňujeme i některé limitace použitých výpočetních metod.

Abstract:

Guanine to inosine (G->I) substitution has often been used to study various properties of nucleic acids. Inosine differs from guanine only by loss of the N2 amino group while both bases have similar electrostatic potentials. Therefore, G->I substitution appears to be optimally suited to probe structural and thermodynamics effects of single H-bonds and atomic groups. However, recent experiments have revealed substantial difference in free energy impact of G->I substitution in the context of B-DNA and A- RNA canonical helices, suggesting that the free energy changes reflect context- dependent balance of energy contributions rather than intrinsic strength of a single H- bond. In this thesis, we complement the experiments by free energy computations using thermodynamics integration method based on extended explicit solvent molecular dynamics simulations. The computations successfully reproduce the basic qualitative difference in free energy impact of G->I substitution in B-DNA and A-RNA helices although the magnitude of the effect is somewhat underestimated. The computations, however, do not reproduce the salt dependence of the free energy changes. We tentatively suggest that the different effect of G->I substitution in A-RNA and B-DNA may be related to different topology of these helices, which affects the electrostatic interactions between the base pairs and the negatively charged backbone. Limitations of the computations are briefly discussed.

Keywords

guanin, inosin, termodynamická integrace, molekulová dynamika, termodynamika, guanine, inosine, thermodynamic integration, molecular dynamics, thermodynamics

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 27. 9. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 16. 1. 2014
• Reader: doc. RNDr. Michal Čajan, Ph.D., doc. RNDr. Petr Jurečka, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Advanced ('rigorózní řízení') programme / field:
Biochemistry / Biomolecular Chemistry