Base-modified DNA quadruplexes: Structure and Noncovalent Interactions

Mgr. Jan Novotný, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Hlavním tématem disertační práce je studium strukturně-dynamických vlastností nukleových kyselin pomocí metod výpočetní chemie. Pozornost je věnována zejména nekanonické formě DNA označované jako DNA kvadruplex (G-DNA), vyskytující se v telomerních či regulačních částech buněčného genomu. Práce se zabývá vedle standardních modelů guaninových kvadruplexů i analogy odvozenými ze struktury 3H-xantinu. Cílem práce mělo být posouzení energetické stability jednotlivých in-silico konstruovaných systémů, kompatibility vzhledem ke struktuře přirozené G-DNA a popis dynamických parametrů (zejm. přenos iontu centrálním kanálem a vliv cukrfosfátové páteře). Stabilita statických systémů je popisována pomocí metod teorie funkcionálu hustoty (DFT) na modelech vystavěných z izolovaných jednotek bází. Uvedený přístup umožnil přibližně určit jednotlivé příspěvky formační energie: párování bází, vrstvení a koordinace kationtu. V případě guaninových kvadruplexů o stabilitě rozhoduje párování bází a zejména koordinace ionty, zatímco pro xantinová analoga je významnější příspěvek disperzní interakce mezi tetrádami. Lokální pohled na jednotlivé příspěvky umožnily topologické analýzy elektronové hustoty a dekompozice interakční energie. Zásadní roli pro porovnání stability struktur vystavěných z jednotlivých derivátů hraje způsob zahrnutí solvatace. Pro posouzení vlivu cukr-fosfátové páteře a explicitního solventu na stabilitu modifikované G-DNA byly využity simulace založené na molekulární dynamice: studované modifikace purinového skeletu nepůsobí významnou stérickou repulzi vůči atomům páteře. Stupeň obsazení kanálu ionty v modelech založených na xantinu potvrzuje nižší význam koordinace ionty pro stabilitu systému, přičemž analogický guaninový systém je výrazně nestabilní. Průchod iontu kanálem kvadruplexu byl studován pomocí ABF výpočtů profilu volné energie. Substituce xantinu za jeho 8-F-9-deazaderivát vedla k významné stabilizaci vzniklých modelů kvadruplexů jak z pohledu DFT formační energie, tak z pohledu rigidity systému během MD simulací.

Abstract:

Main subject of this Ph.D. thesis is a study of structural and dynamical properties of nucleic acids by means of computational methods. The work is focused primarily on the quadruplex fold of DNA which represents a noncanonical motif occurring in telomeric and regulatory parts of the cell genome. In this work, in addition to natural guanine-based models we are investigating structures containing 3H-xanthine and its derivatives. The stability of designed assemblies is evaluated by means of DFT formation energies. The xanthine scaffold incorporated into larger model of DNA quadruplex is subjected to MD simulations and dynamical parameters including ion transfer are investigated. DFT calculations carried out on non-covalently bound structures enabled us to estimate the contribution of hydrogen bonding, stacking, and ion coordination in the course of folding process. The guanine-based models are stabilized predominantly by cooperative H-bonding and ion coordination whereas xanthine analogs are characterized by more favorable stacking interaction. The significant increase in stability, as manifested by analysis of interaction energies, was achieved for 8-halo-9-deazaderivatives of the xanthine. Individual energetic contributions were separated using various topological approaches and methods of energy decomposition. The attention was also drawn to the inclusion of solvent model. Our MD simulations revealed the compatibility of xanthine-based nucleotide with respect to the DNA backbone. However, considerably lower population of channel cations in case of xanthine quadruplex was observed. The corresponding guanine counterparts were rather unstable. The calculations of free energy profile associated with ion transfer partially occupied by water molecules showed synchronous mechanism and confirmed observed binding sites of different cations. The partial enhancement of the affinity to cations and overall stability was attained in case of 8-halo-9-deazaxanthine quadruplex construct.

Keywords

DNA kvadruplex, xantin, teorie funkcionálu hustoty, molekulární dynamika, výpočet a analýza formačních energií, nekovalentní interakce. DNA quadruplex, Xanthine, Density Functional Theory, Molecular Dynamics, Calculation and Decomposition of the Energy of Formation, Noncovalent Interactions.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 12. 2014

Thesis defence

• Date of defence: 14. 1. 2015
• Supervisor: prof. RNDr. Radek Marek, Ph.D.
• Reader: prof. RNDr. Michal Otyepka, PhD., Dr. Célia Fonseca Guerra

Masaryk University

Faculty of Science

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