Studium molekulových interakcí v L1 ribosomálním stalku

Bc. Miroslav Krepl, Ph.D.

Master's thesis

Study of molecular interactions in L1 ribosomal stalk

Abstract:

L1 stalk je důležitý mobilní element velké ribosomální podjednotky. V naší práci zkoumáme jeho nekanonické elementy, které zahrnují dva kink-turny, interní smyčku a tetrasmyčku. Užili jsme bioinformatiku k identifikaci konzervovaných oblastí L1 stalku a spočítali více než 11.5 µs MD simulací pro řadu různých systému od izolovaných RNA bloků až ke komplexům L1 stalkové rRNA s L1 proteinem a tRNA fragmentem. Ukazujeme, že tetrasmyčka v L1 stalku má konzervován nezvyklý sekvenční vzorec GNNA nebo UNNG, čímž se odchyluje od tradičních GNRA a YNMG tetrasmyčkových rodin. Navrhujeme, že tato odchylka je způsobena vysoce konzervovaným terciárním kontaktem uvnitř L1 stalku. Dostupné krystalografické struktury obsahují pouze UCCG tetrasmyčku, která se navíc liší v konformaci (anti vs syn) guaninu. Naše analýza naznačuje, že anti konformace může být chybou v krystalové struktuře, ačkoliv i anti orientace je tu v souladu se sekvenční analýzou a terciární interakcí. Alternativně, anti konformace může být reálným substavem jehož populace může záviset na pH (konformace guaninu v syn vyžaduje protonaci cytosinu tvořícího terciární kontakt). Vzhledem k absenci dalších strukturních dat jsme použili molekulové modelování k prozkoumání chování GCCA tetrasmyčky, která je mezi bakteriemi nejrozšířenější a navrhujeme, že GCCA tetrasmyčka je strukturně podobná YNMG rodině. Kink-turn Kt-77 je neobvyklý díky svému 11 nukleotidů dlouhému bulgi. Simulace naznačují, že dlouhý bulge je tu pro L1 stalk specifickou inzercí do konsensuální struktury kink-turnu, která jen mírně ovlivňuje jeho dynamiku. Diskutujeme možnou evoluční roli helixu H78 a mechanismus interakce tRNA s L1 stalkem. Provedli jsme také vyhodnocení simulační metodologie. Simulace poskytují velmi dobrý popis studovaných systémů, přičemž bsc0χOL3 AMBER RNA silové pole tu podává nejlepší výkon. Nicméně ani bsc0χOL3 není schopno plně stabilizovat esenciální sugar edge vodíkovou vazbu mezi bulgem a nekanonickým stemem kink-turnu.

Abstract:

L1 stalk is a prominent mobile element of the large ribosomal subunit. We explore the structure and dynamics of its non-canonical rRNA elements, which include two kink-turns, an internal loop and a tetraloop. We use bioinformatics to identify the L1 stalk RNA conservation patterns and carry out over 11.5 µs of MD simulations for a set of systems ranging from isolated RNA building blocks up to complexes of L1 stalk rRNA with the L1 protein and tRNA fragment. We show that the L1 stalk tetraloop has unusual GNNA or UNNG conservation pattern deviating from major GNRA and YNMG RNA tetraloop families. We suggest that this deviation is related to a highly conserved tertiary contact within the L1 stalk. The available X-ray structures contain only UCCG tetraloops which in addition differ in orientation (anti vs. syn) of the guanine. Our analysis suggests that the anti orientation might be a mis-refinement, although even the anti interaction would be compatible with the sequence pattern and observed tertiary interaction. Alternatively, the anti conformation may be a real substate whose population could be pH-dependent, since guanine syn orientation requires protonation of cytosine in the tertiary contact. In absence of structural data, we use molecular modeling to explore the GCCA tetraloop that is dominant in bacteria and suggest that the GCCA tetraloop is structurally similar to the YNMG tetraloop family. Kink-turn Kt-77 is unusual due to its eleven nucleotide bulge. The simulations indicate that the long bulge is a stalk-specific eight-nucleotide insertion into consensual kink-turn structure only subtly modifying its structural dynamics. We discuss a possible evolutionary role of helix H78 and a mechanism of L1 stalk interaction with tRNA. We also assess the simulation methodology. The simulations provide very good description of the studied systems with the latest bsc0χOL3 AMBER RNA force field showing improved performance. Still, even bsc0χOL3 is unable to fully stabilize an essential sugar-edge H-bond between the bulge and non-canonical stem of the kink-turn.

Keywords

L1 stalk, ribosom, molekulová dynamika, molekulová mechanika, výpočetní chemie, AMBER, strukturní biologie, bioinformatika, kink-turny, tetrasmyčky

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 7. 5. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 18. 6. 2013
• Supervisor: prof. RNDr. Jiří Šponer, DrSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Biochemistry / Biomolecular Chemistry