Studies of quadruplex nucleic acids

Mgr. Petr Stadlbauer, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Guaninové kvadruplexy jsou pravděpodobně nejdůležitější nekanonickou formou DNA. Hrají roli v důležitých buněčných procesech, mezi které patří ochrana konců lineárních chromosomů (telomer), regulace transkripce a translace nebo interakce hostitel-virus. Mutace v nukleotidových sekvencích tvořících kvadruplexy může vést ke vzniku různých onemocnění, jako například demence nebo rakovina. Interakce kvadruplexů s malými molekulami léčiv se zdá být jednou z možností, jak proti těmto chorobám bojovat. Tato práce se zabývá mechanismem sbalování guaninových kvadruplexů, zejména pak těch tvořených lidskou telomerní sekvencí. V této práci používáme moderní výpočetní metody založené na molekulové dynamice. Testovali jsme, jestli se dříve navržené meziprodukty sbalování skutečně mohou tohoto děje účastnit, a zároveň jsme se pokusili zjistit, jestli se sbalování neúčastní i dosud neidentifikované intermediáty. Specificky jsme se zaměřili na guaninový triplex a guaninovou vlásenku. Ukázali jsme, že ačkoli jejich existenci nemůžeme vyvrátit, celý proces sbalování je nejvíce ovlivněný vznikem množství nesprávně složených, ale vysoce stabilních dlouho žijících kvadruplexů. Vznik těchto struktur je možný díky tomu, že guanosin může zaujímat buď konformaci syn nebo anti. Celý proces sbalování lze nejlépe charakterizovat mechanismem kinetického rozdělení, který zároveň vysvětluje, proč experimentální měření ukazují dosažení rovnováhy na neobvykle dlouhých časových škálách. Dosažené výsledky mohou být využity při budoucím návrhu molekul léčiv nebo pro design molekul DNA se specifickými vlastnostmi. V neposlední řadě naše studie ukazuje, že výpočetní metody mají predikční sílu a není třeba je vždy používat pouze jako pomocné nástroje experimentálních technik.

Abstract:

Guanine quadruplexes are the most important non-canonical DNA architectures. They are involved in many important cellular processes. For example, protection of the ends of linear chromosomes (telomeres), transcriptional and translational regulation or host-virus interaction. Mutations in G-quadruplex forming sequences can lead to various diseases, including dementia and cancer. Targeting G-quadruplex structures by small ligands has been suggested as potential approach in their treatment. This thesis deals with the mechanism of DNA G-quadruplex folding, with special attention paid to the human telomeric sequence. We use the state-of-the-art molecular dynamics methods to verify the existence of various suggested folding intermediates and predict the presence of those not yet identified. Specifically, we probe the G-triplex and G-hairpin structures. The results show that although they might exist, the most important feature of the folding landscape is the presence of many deep basins corresponding to stable long-living misfolded G-quadruplexes. Formation of these misfolded species is enabled by the inherent ability of guanosine to adopt either the syn or anti conformations. The undergoing mechanism is best characterized as the kinetic partitioning and it clarifies the long experimentally observed folding time scales. The findings may be useful for future development of drugs or for design of custom DNA molecules. Last but not least, we demonstrate that computational methods have predictive power and can be used not only as auxiliary tools for experimental techniques.

Keywords

Nukleové kyseliny, DNA, Kvadruplex, Tetraplex, Triplex, G-vlásenka, Sbalování, Kinetické rozdělení, Molekulová dynamika, Simulace, Nucleic acids, Quadruplex, G-hairpin, Folding, Kinetic partitioning, Molecular dynamics, Simulation

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 9. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 12. 12. 2017
• Supervisor: prof. RNDr. Jiří Šponer, DrSc.
• Reader: doc. RNDr. Petr Jurečka, Ph.D., Ing. Filip Lankaš, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biochemistry (4-years) / Biomolecular Chemistry