Strukturní vlastnosti a patologické změny DNA

Mgr. Petra Školáková, Ph.D.

Doctoral thesis

Structural Properties and Pathological Changes of DNA

Abstract:

DNA je nositelkou genetické informace a jako taková je citlivá na jakékoliv poškození, které se v případě selhání reparačních mechanismů může přenášet na další generace. Řada jejích základních funkcí, jako je replikace či vazba transkripčních faktorů, je ovlivněna primární i sekundární strukturou DNA. Vznik anomálních struktur ve významných částech chromozomů - telomerách, centromerách či promotorech genů může tyto funkce ovlivnit. Telomery chrání koncové části chromozomální DNA a jejich délka odpovídá stáří buňky. Na zkrácení telomery navazuje celá řada regulačních procesů vedoucích k poškození energetického systému buňky, apoptóze nebo naopak k aktivaci jejího prodlužování. Změny či poškození v telomerní sekvenci mohou vést k narušení celého regulačního mechanismu. Pomocí spektroskopických metod, zejména pomocí CD a UV absorpční spektroskopie, jsem studovala strukturní vlastnosti telomerní sekvence tří důležitých modelových organismů – člověka (Homo sapiens sapiens), hlístice (Caenorhabditis elegans) a rostliny (Arabidopsis thaliana). Zabývala jsem se faktory, které ovlivňují vznik a stabilitu sekundárních struktur G- i C-bohatého řetězce, tedy guaninového kvadruplexu a i-motivu. V první části se zabývám vlivem endogenního poškození, konkrétně vznikem abazických míst, na architekturu a stabilitu guaninového kvadruplexu lidské telomerní sekvence. Vznik abazického místa má na kvadruplex destabilizační efekt, který je závislý na jeho umístění v rámci těla kvadruplexu. V další části se zaměřuji na specifika tvorby i-motivu v C-bohatém řetězci DNA. S pomocí sekvenčně odlišných C-bohatých motivů definuji několik základních pravidel pro vznik této sekundární struktury. Dále srovnávám konformační vlastnosti lidské a C. elegans telomerní sekvence. Byly nalezeny významné rozdíly mezi jednotlivými sekundárními strukturami, G-bohaté ani C-bohaté fragmenty C. elegans telomerní sekvence nejsou schopny tvořit kvadruplexy. Na rozdíl od lidské telomerní sekvence tvoří specifické vlásenkové struktury. Poslední část je zaměřena na studium vlivu metylcytozinu na vznik a stabilitu i-motivu v C-bohatém řetězci A. thaliana. Metylace má na i-motiv stabilizační efekt a tento efekt je výrazně pozičně závislý.

Abstract:

DNA is a molecule that carries genetic information and therefore is sensitive to any damage that can be transferred to the next generation in the case of a failure of the repair mechanisms. Many of its basic functions, such as replication and transcription factor binding, are affected by the primary and secondary structure of DNA. These functions can be affected by formation of anomalous structures in significant chromosome parts - telomeres, centromeres or gene promoters. Telomeres protect the end parts of the chromosomal DNA, and telomere length is connected with cellular aging. Telomere shortening is related to a number of regulatory processes leading to damages to the energetic system of cells, to apoptosis or, conversely, to activation of their extension. Changes or lesions of telomeric sequence can damage the regulatory mechanism of a cell. Using spectroscopic methods, especially CD and UV absorption spectroscopy, I studied structural properties of the telomeric sequences of three important model organisms – human (Homo sapiens sapiens), nematode (Caenorhabditis elegans), and plants (Arabidopsis thaliana). I investigated factors affecting formation of secondary structures on the G- and C-rich DNA strand. At first I studied the influence of endogenous damages, namely of occurring abasic sites, on the architecture and stability of the guanine quadruplex of the human telomeric DNA sequence. Formation of abasic sites has a destabilizing effect on the quadruplex, which depends on the position of the lesion within the quadruplex core. The next part is focused on the specific features of the i-motif formation in the C-rich DNA strand. By means of various C-rich sequences we defined some basic rules for the i-motif formation. Next, we compared the conformational properties of human and C. elegans telomeric DNA sequences. There were significant differences between the individual secondary structures; the G-rich or C-rich fragments of C. elegans telomeric sequences are unable to form quadruplexes. In contrast with the human telomeric sequence they form specific hairpin structures. The last part is focused on studying the effect of methylcytosine on the formation and stability of the i-motif in the C-rich strand of A. thaliana. Methylation has an i-motif-stabilizing effect, and this effect is substantially positionally dependent.

Keywords

Sekundární struktura DNA, CD spektroskopie, telomera, G-kvadruplex, i-motiv, C-overhang, 5-metylcytozin Secondary structure of DNA, CD spectroscopy, telomere, G-quadruplex, i-motif, 5-methylcytosine

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 6. 2016

Thesis defence

• Date of defence: 26. 9. 2016
• Supervisor: prof. RNDr. Michaela Vorlíčková, DrSc.
• Reader: doc. RNDr. Peter Mojzeš, CSc., doc. RNDr. Oldřich Vrána, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics (4-years) / Biophysics