Efekt substitúcie adenínu za guarín v ludskej telomérnej sekvencii G3 (T2AG3)3

MVDr. Martin Tomaško, Ph.D.

Doctoral thesis

Effect of Adenine for Guanine Substitution in human Telomeric G3 (T2AG3)3

Abstract:

In addition to the well-known Watson-Crick double helix, DNA can form also other structures. One of them is a four-stranded quadruplex, which was also acknowledged in „in vivo“ conditions. It was suggested that the presence of quadruplexes in e.g. telomeric region has a significant biological importance. I have studied structural properties of the human telomeric quadruplex formed by G3(T2AG3)3 and related sequences, in which each guanine base was subsequently replaced by adenine. In the next step, I have studied sequences, in which two, or even four guanines were replaced by adenine. These sequences were studied in the presence of sodium or potassium ions. Using CD spectroscopy, UV thermal stability measurements and polyacrylamide gel electrophoresis, I found that none of substitutions hindered formation of the antiparallel quadruplex, which was formed by unsubstituted sequence in sodium solutions. However, the effect of susbstitution differed depending on the position of the substitued guanine. The middle quartet of the antiparallel basket scaffold was the most sensitive and led to the least stable structures. With other sequences, the effect of substitution depended on a position and also on a syn/anti glykosidic bond orientation of the appropriate guanosine in the original quadruplex structure. In the case of multiple G for A substitutions, the G3(T2AG3)3 quadruplex was most destabilized by the G:G:A:A tetrad, in which the adenosines substitued syn guanosines. Based on the used methods, we can suppose that the intramolecular quadruplex structure of the modified sequences remained antiparallel, even in the presence of potassium ions. The exceptions were the sequences with substitued middle quartet, stability of which was substantially decreased so that they formed also bimolecular in addition to intramolecular quadruplexes. The only unmodified G3(T2AG3)3 sequence rearranged into a K+-specific quadruplex form. None of the adenine-modified structures did so.

Abstract:

DNA tvorí okrem známej pravotočivej Watson-Crickovej dvojšrubovice aj iné štruktúry. Jednou z nich sú štvorvláknové kvadruplexy. Prítomnosť týchto štruktúr bola potvrdená in vivo. Ukazuje sa, že ich výskyt okrem iného aj v telomérnej oblasti má veľký biologický význam. V tejto práci som študoval štruktúrne vlastnosti humánneho telomérneho kvadruplexu, tvoreného sekvenciou G3(T2AG3)3 a od nej odvodených sekvencíí, v ktorých bol postupne každý guanín nahradený adenínom. V druhom kroku boli skúmané odvodené sekvencie, v ktorých boli vykonané substitúcie dvoch guanínov a jedna sekvencia, kde bola vykonaná štvornásobná substitúcia adenínu za guanín. Tieto sekvencie bolí skúmané v prostredí sodných a tiež v prostredí draselných iónov. Použitím metód CD spektroskopie, merania teplotných závislostí pomocou UV absorbčnej spektroskopie a elektroforézy v polyakrylamidovom géli som zistil, že žiadna zo substitúcií nezabráni vzniku antiparalélneho kvadruplexu, ktorý je tvorený nemodifikovanou sekvenciou G3(T2AG3)3 v prostredí sodných iónov. Efekt substitúcie bol odlišný v závislosti na pozícii substituovaného guanínu. Na substitúciu sa ako najviac citlivá ukázala prostredná tetráda, v ktorej zámena adenínu za guanín najviac destabilizovala štruktúru kvadruplexu. U ostatných vzoriek je efekt substitúcie závislý od pozície a tiež od syn/anti konformácie glykozidickej väzby substituovaného guanozínu. V prípade skúmania viacnásobných substitúcií, najviac štruktúru kvadruplexu poznačila prítomnosť G:G:A:A tetrády, ktorá sa vyznačuje tým, že adenozínmi sú nahradené guanozíny v pozícii syn. Na základe použitých metód môžme predpokladať, že substituované vzorky tvoria i v prostredí draselných iónov antiparalelný intramolekulárny kvadruplex. Výnimku tvoria iba vzorky, ktoré majú substituovanú prostrednú tetrádu, u ktorých je substitúciou stabilita znížená do takej miery, že môžme pozorovať aj vznik bimolekulárnych štruktúr. Úplne inak sa však správa pôvodná nesubstituovaná sekvencia G3(T2AG3)3, u ktorej prítomnosť draselných iónov indukuje tvorbu inej kvadruplexovej štruktúry, než v prítomnosti sodných iónov.

Keywords

Kvadruplex, CD spektroskopia, teloméra, konformácia DNA, Quadruplex, CD spectroscopy, telomere, DNA conformation

Language used: Slovak

Date on which the thesis was submitted / produced: 2. 8. 2011

Thesis defence

• Date of defence: 7. 6. 2012
• Supervisor: prof. RNDr. Michaela Vorlíčková, DrSc.
• Reader: prof. RNDr. Jiří Fajkus, CSc., prof. RNDr. Vladimír Vetterl, DrSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Molecular and Cellular Biology