Studium strukturní dynamiky a foldingu kvadruplexové DNA počítačovými metodami

Bc. Petr Stadlbauer, Ph.D.

Diplomová práce

Computational study of structural dynamics and folding of quadruplex DNA

Anotace:

Provedli jsme molekulově dynamické simulace s explicitním zahrnutím molekul solventu k doplnění předchozích experimentálních a výpočetních studií foldingu guaninových kvadruplexů (G-DNA). Nejprve jsme iniciovali unfolding několika různých G-DNA jejich simulováním v podmínkách bez přítomnosti kationtů, poté jsme se snažili takto porušené struktury zfoldovat zpět simulováním v přítomnosti iontů. Byl pozorován rozdílný mechanismus mezi kvadruplexy s all-anti uspořádáním stemu a těmi obsahujícími směs syn a anti nukleotidů. Pro all-anti stemy je charakteristický vzájemný vertikální posun řetězců. Takto vznikají během unfoldingu útvary se sníženým počtem tetrád a během foldování se naopak snižuje míra vzájemného posunutí řetězců. Přítomnost opačně orientovaných syn nukleotidů zabraňuje tomuto vzájemnému vertikálnímu posunu, a proto u antiparalelních a hybridních kvadruplexů probíhá unfolding oddělováním jednotlivých řetězců. Simulace potvrzují schopnost těchto molekul zaujímat spoustu špatně zfoldovaných struktur. Klíčové pro správný folding se zdá být správná kombinace syn a anti konformací jednotlivých nukleotidů před samotným pokusem o folding. Výsledky naznačují, že na úrovni jednotlivých molekul G-DNA je folding složitý proces, zpomalovaný špatně zfoldovanými strukturami s různě dlouhou životností.

Abstract:

Explicit solvent molecular dynamics simulations have been used to complement preceding experimental and computational studies of folding of guanine quadruplexes (G-DNA). We initiate early stages of unfolding of several G-DNAs by simulating them under no-salt conditions and then try to fold them back using standard excess salt simulations. There is a significant difference between G-DNAs with all-anti parallel stranded stems and those with stems containing mixtures of syn and anti guanosines. The most natural rearrangement for all-anti stems is a vertical mutual slippage of the strands. This leads to stems with reduced numbers of tetrads during unfolding and a reduction of strand slippage during refolding. The presence of syn nucleotides prevents mutual strand slippage, so the antiparallel and hybrid quadruplexes initiate unfolding via separation of the individual strands. The simulations confirm the capability of G-DNA molecules to adopt numerous stable locally and globally misfolded structures. The key point for a proper individual folding attempt appears to be correct prior distribution of syn and anti nucleotides in all four G-strands. The results suggest that at the level of individual molecules G-DNA folding is an extremely multi-pathway process that is slowed by numerous misfolding arrangements stabilized on highly variable timescales.

Klíčová slova

G-DNA, DNA folding, molekulově dynamické simulace

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 14. 5. 2013

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 18. 6. 2013
• Vedoucí: prof. RNDr. Jiří Šponer, DrSc.

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Magisterský studijní program / obor:
Biochemie / Biomolekulární chemie