Chování alternativních DNA struktur na elektricky nabitých površích

Mgr. Daniel Dobrovodský, Ph.D.

Doctoral thesis

Behavior of alternative DNA structures at electrically charged surfaces

Abstract:

Kromě kanonické dvoušroubovice může DNA tvořit řadu alternativních sekundárních struktur. Mezi jeden z nejvíce zkoumaných typů těchto struktur patří tetrahelikální G-kvadruplexy (G4). G4 struktury vznikají spojením čtyř úseků po sobě jdoucích guaninů z jednoho nebo několika řetězců DNA, které se organizují do čtvercových planárních guaninových tetrád spojených sítí Hoogsteenových vodíkových vazeb. Tyto vysoce polymorfní struktury lze nalézt v klíčových regulačních prvcích napříč genomy často spojenými s rozvojem rakoviny, jako jsou telomery nebo promotory onkogenů. Tato disertační práce byla zaměřena na studium G4 primárně elektrochemickými metodami a na výzkum alternativních analytických nástrojů pro detekci a studium G4. Kombinace elektrochemických a spektroskopických metod byla použita ke studiu interakce G4 s nově syntetizovaným ligandem, metaloporfyrinem Cu-TMPy2PP, potenciálně užitečným pro zacílení G4 v rakovinové terapii. Elektrochemie této sloučeniny v přítomnosti různých konformací DNA inspirovala vývoj strategie detekce G4 založené na elektrochemickém signálu malých molekulárních sond, odrážejícím stav molekul DNA adsorbovaných na povrchu rtuťové elektrody. Na základě této strategie bylo zjištěno, že oligodeoxynukleotidy (ODN) tvořící G4 tvoří řidší adsorbované vrstvy a jsou také snadněji desorbovány z povrchu elektrody ve srovnání s jednovláknovými, dvouvláknovými nebo i-motivy tvořícími ODN. Toto strukturně specifické chování bylo poté využito pro detekci a analýzu G4. Skládání ODN tvořícího G4 po navázání iontu draslíku stabilizujícího G4 bylo také detekováno pomocí povrchové plasmonové rezonance, čímž byl poskytnut důkaz, že tato technika je citlivá na strukturální změny DNA. Principy vyvinuté v této práci mohou sloužit jako základ pro další studium alternativních struktur DNA a pro vývoj nových analytických technik, experimentálních přístupů nebo biosenzorů.

Abstract:

In addition to the canonical double helix, DNA can adopt a variety of alternative secondary structures. One of the most widely researched type of these structures include the tetrahelical G-quadruplexes (G4). G4 structures arise from the associations of four tracts of consecutive guanines from one or several DNA strands, which organise into stacks of square planar guanine tetrads connected by a network of Hoogsteen hydrogen bonds. These highly polymorphic structures can be found in crucial regulatory elements across genomes often associated with cancer development, such as telomeres or oncogene promoters. This dissertation thesis focused on the study of G4s by primarily electrochemical methods and the investigation of alternative analytical tools for G4 detection and study. Combination of electrochemical and spectroscopic methods was used to study the interaction of G4s with a newly synthesised ligand, the metalloporphyrin Cu-TMPy2PP, potentially useful for G4 targeting in cancer therapy. Electrochemistry of this compound in the presence of various DNA conformations inspired the development of G4 sensing strategy based on electrochemical signal of small molecular probes, reflecting the state of DNA molecules adsorbed at mercury electrode surface. Based on this strategy, G4-forming oligodeoxynucleotides (ODNs) were discovered to from sparser adsorbed layers and are also more easily desorbed from the electrode surface compared to single, double stranded or i-motif-forming ODNs. This structure-specific behaviour was then exploited for G4 detection and analysis. Folding of a G4-forming ODN upon binding of G4-stabilising potassium ion was also detected using surface plasmon resonance, which was used to provide a conclusive proof that the latter technique is sensitive to DNA structural changes. The principles developed in this thesis can serve as bases for further study of alternative DNA structures and for the development of novel analytical techniques, experimental approaches or biosensors.

Keywords

Struktura DNA, G-kvarduplex, Elektrochemie, Voltammetrie, Elektrochemické sondy, G-kvadruplexové ligandy, Povrchová plasmonová resonance, DNA structure, G-quadruplex, Electrochemistry, Voltammetry, Electrochemical probes, G-quadrplex ligands, Surface plasmon resonance

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 7. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 28. 8. 2023
• Supervisor: doc. RNDr. Miroslav Fojta, CSc.
• Reader: doc. Mgr. Lukáš Trantírek, Ph.D., prof. Ing. Jan Vacek, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Genomics and Proteomics / Genomics and Proteomics