Hledání biologicky aktivních látek metodami výpočetní chemie

Mgr. Tomáš Bouchal, Ph.D.

Doctoral thesis

Searching of Biologically Active Substances by Computational Chemistry Methods

Abstract:

Mismatch Repair (MMR) vyhledává a opravuje chyby v DNA. Tím zlepšuje přesnost replikace DNA až tisícinásobně. MMR se inicializuje po nalezení chybně umístěné nukleobáze nebo inzerce/delece enzymem MutS. Souhrnně je MMR dobře popsán, nicméně schopnost MutS na molekulární úrovni rozlišovat mezi neshodným a kanonickým párováním bází není zcela objasněna. V této práci jsou uvedeny dvě výpočetní studie zabývající se mechanickými vlastnostmi DNA, zahrnující otevírání párů bází a ohýbání DNA, které jsou využívány při rozpoznávání chybného párování při MutS/DNA interakci. K napodobení deformace DNA pozorované v experimentálních strukturách MutS/DNA byla použita biasovaná molekulární dynamika a nově implementované kolektivní proměnné (CV). Sklony k otevírání párů bází a ohýbání DNA byly kvantifikovány pomocí volných energií. Již dlouho se předpokládalo, že ohyby DNA hrají významnou roli při rozpoznávání chybného párování. Zatímco některé CV popisující ohyb DNA mohou rozlišovat mezi neshodnými a kanonickými páry bází, zjistili jsme, že je překoná otevírání páru bází do malého žlábku. Zatímco rozdíl v rozlišení mezi správnou a poškozenou DNA činí 1 kcal/mol pro ohyb DNA, pro otevření páru bází je diskriminace daleko větší a to asi 3 kcal/mol. Naše zjištění mohou v budoucím výzkum pomoci pochopit další zákonitosti zahrnující sekvenčně závislou mutabilitu DNA a vést k vývoji léků nebo molekulárních sond selektivně cílících na rozpoznání poškozených párů bází.

Abstract:

Mismatch repair (MMR) finds and repairs DNA errors. Thus, improving DNA replication fidelity up to 1000-folds. The pathway is triggered when the MutS enzyme locates the mismatched DNA nucleobases or insertion-deletion loops. While the overall MMR process is well described, the discrimination between mismatched and canonical base-pairing by MutS is still not fully understood. Here, the thesis compiles two computational studies of intrinsic mechanical properties of DNA, including base-pair opening and DNA bending, that are exploited upon MutS/DNA mismatch recognition. The biased molecular dynamics and newly implemented collective variables (CVs) were employed to mimic DNA deformation seen in experimental MutS/DNA structures. The base-pair opening and DNA bending propensities were quantified using free energies. DNA bending has been believed to play a significant part in mismatch recognition for a long time. While some bending CVs can discriminate between mismatched and canonical base pairs, we found that they are outperformed by base-pair opening into the minor groove. While the discrimination gap between correct and damaged DNA is 1 kcal/mol for DNA bending, it is about 3 kcal/mol for base-pair opening. Our findings can help understand the sequence-dependent mutability of DNA and lead to development of drugs or molecular probes selectively targeting damaged base pairs.

Keywords

DNA, výpočty volné energie, oprava chybného párování bazí, MutS, free energy calculations, mismatch repair

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 11. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 16. 1. 2023
• Supervisor: RNDr. Petr Kulhánek, Ph.D.
• Reader: Ing. Filip Lankaš, PhD., prof. Ing. Vojtěch Spiwok, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

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