Molekulární mechanismy poškození a opravy DNA

Mgr. Ivo Durník, Ph.D.

Doctoral thesis

Molecular Mechanisms of DNA Damage and Repair

Abstract:

Zachování genetické informace uložené v DNA probíhá jako odvěký zápas mezi procesy poškozující DNA a procesy opravující toto poškození. Jakékoliv neopravené poškození může způsobit buněčnou smrt, stárnutí, nebo nádorové onemocnění. Dlouhodobý evoluční tlak vedl k vývoji velmi efektivních opravných mechanismů. V této práci jsme se tudíž zaměřili na molekulární podstatu vybraných opravných mechanismů jako možnou inspiraci pro rozvoj léčby nádorových onemocnění. Získané výsledky byly publikovány v pěti recenzovaných článcích. Tři z nich jsou výpočetní studie, které se zabývají nesprávně párovanými bázemi v DNA. Dvě další studie kombinují experimenty a teorii s cílem lepe popsat supramolekulární systémy s potenciální protinádorovou aplikací. V první části ukazujeme, že nesprávně párované báze lze rozlišit od kanonických bázových párů pomocí otevření páru do malého žlábku DNA. Dále předpokládáme, že rozpoznání nesprávně párovaných bází je ovlivněno sekvencí dsDNA. V druhé části se zaměřujeme na dva supramolekulární systémy: G-quadruplex stabilizovaný kovalentně vázaným aromatickým ligandem a komplex hostitel-host založený na beta-cyklodextrinu. Zde jsme získali strukturní a energetické detaily, které nebyly dostupné pomocí experimentů. Získaná data mohou pomoci v budoucím racionálním návrhu supramolekulárních systémů s cílem zlepšit léčbu nádorových onemocnění.

Abstract:

Maintenance of genetic information stored in DNA is a perpetual battle between processes damaging DNA and processes repairing such damage. Any DNA damage escaping its repair can eventually result in cell death, aging, or cancer. The long-term evolution pressure caused the development of very efficient repair mechanisms. Thus, in this thesis, we aimed to decipher the molecular nature of the selected repair mechanism as a possible inspiration for advancing cancer therapies. Obtained results were published in five peer-reviewed articles. Three of them are computational studies focusing on mismatched DNA. Two additional studies combine experiments and theory to better describe supramolecular systems with potential therapeutic applications. In the first part, we show that mismatched base pairs can be discriminated from canonical base pairs by opening into the minor groove. We also showed that the dsDNA sequence modulates mismatch discrimination. In the second part, we focus on two supramolecular systems: a G-quadruplex stabilized by an aromatic probe and a host-guest complex based on beta-cyclodextrin. Here, we managed to provide structural and energetical details that were not accessible through experiments. The data obtained can assist in the future rational design of supramolecular systems, leading to the development of more effective anticancer drugs.

Keywords

struktura DNA, poškození DNA, oprava DNA, nesprávně párovaná DNA, MMR, supramolekulární chemie, G-kvadruplex, molekulová dynamika, výpočty volných energií, kolektivní proměnná, DNA structure, DNA damage, DNA repair, mismatch repair, supramolecular chemistry, G-quadruplexes, molecular dynamics, free energy calculations, collective variable

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 5. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 14. 6. 2023
• Supervisor: RNDr. Petr Kulhánek, Ph.D.
• Reader: doc. RNDr. Karel Berka, Ph.D., doc. RNDr. Michal Čajan, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

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