Characterization of non-B DNA structures using NMR spectroscopy

Ilektra-Chara Giassa, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Klasické biofyzikální a biochemické přístupy ke studiu strukturně funkčních vztahů nukleových kyselin (NK) nepočítají s vlivem přirozeného prostředí. Současná potřeba charakterizovat strukturu NK v jejich přirozeném prostředí uvnitř buňky vedla v poslední době k vývoji nových nástrojů, metod a přístupů. Jednou z nich je in-cell NMR (NMR spektroskopie „v buňce“), která se ukázala být obzvláště užitečná pro zkoumání struktury a interakce NK a to díky své minimální invazivitě a vysoké citlivosti chemických posunů NMR ke konformačním změnám NK. Předkládaná práce zahrnuje tři odlišné, ale tematicky provázané, projekty, které se zabývají pokročilou metodologií in-cell NMR pro strukturní charakterizaci NK in vivo. V rámci prvního projektu byl vytvořen softwarový nástroj pro rychlé a spolehlivé přiřazení struktury NK na základě reziduálních dipolárních interakcí (RDC) indukovaných magnetickým polem. Ve druhém z projektů byla prozkoumána možnost přiřazení frekvencí v(_^1)H/(_^31)P (in-cell) NMR spektrech s použitím specificky modifikovaných thiofosfo-DNA oligonukleotidů. Poslední projekt se zabýval metodologií identifikace fyziologicky relevantních konformací DNA, a to na základě studia evolučně konzervovaných sekvencí.

Abstract:

Conventional approaches of biophysical and chemical biology that are to reveal the relationships between structure and biological function of nucleic acids (NA) do not account for the effect of the environmental factors. Recently, the need to structurally characterize nucleic acids in the context of the native cellular environment has led to the development of novel tools, methods, and concepts. Among them, in-cell NMR spectroscopy proved to be particularly useful for probing NA structure and interactions due to its non-invasiveness and the sensitivity of the NMR chemical shifts to NA conformational changes. The present thesis compiles three independent, yet thematically interconnected projects that have jointly aimed at advancing in-cell NMR methodology for structural characterization of NA structure in vivo. In the framework of the first project, with the prospect of assisting the (in-cell) NMR structural studies, I developed a software tool that allows the fast and reliable assessment of NA structures based on magnetic field induced residual dipolar couplings. In the second project, I attempted to elaborate a methodology for resonance assignment of (_^1)H/(_^31)P (in-cell) NMR spectra using site-specifically phosphorothioate-modified DNA oligonucleotides. The last project has aimed at the development of a methodology for the identification of a physiologically relevant DNA conformation based on the principles of evolutionary conservation.

Keywords

Vnitrobuněčné chemické sondy, indukované reziduální dipolární interakce, anizotropie magnetické susceptibility, nukleární magnetická resonance, nukleové kyseliny, predikční software, místně specifické značení, přiřazení rezonancí, G-kvadruplexy, strukturní polymorfismus, biologická funkce, in-cell chemical probing, field-induced residual dipolar couplings, magnetic susceptibility anisotropy, NMR, nucleic acids, prediction software, site specific labeling, resonance assignment, G-quadruplexes, structural polymorphism, biological function

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 4. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 13. 5. 2021
• Supervisor: doc. Mgr. Lukáš Trantírek, Ph.D.
• Reader: doc. Mgr. Václav Brázda, Ph.D., doc. RNDr. Martin Dračínský, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

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