Vliv iontové síly na strukturu a energetiku vybraných A-RNA motivů

Bc. Peter REPIŠČÁK

Master's thesis

Influence of Ionic Strength on Structure and Energetics of Selected A-RNA Motives

Abstract:

Ribonukleová kyselina (RNA) je veľmi dôležitá biomolekula, ktorá sa podiela na mnohých základných biologických procesoch. Štruktúra a energetika RNA hrá nezameniteľnú úlohu pri interakciách RNA s ostatnými molekulami v bunke, ako aj ovplyvnuje funkčnosť mechanizmov, na ktorých sa RNA podiela. V tejto práci sme využili metódy molekulovej dynamiky (MD) a MD spolu s metódou termodynamickej integrácie (TI) pre štúdium štruktúry a energetiky A-RNA duplexov. Testovali sme vplyv silových polí (ff99 and ff99bsc0), rôznych typov vodných modelov (SPC/E and TIP3P), pri nízkej koncentrácií iónov (Na+) ako aj pri vysokej koncentrácií (KCl) na študovanú štruktúru. Dalej sme skúmali rozdielne vlastnosti K+ iónov so súborom parametrov navrhnutým Joungom a druhým súborom od Danga. Toto testovanie bolo s cielom vylepšit doteraz používaný simulacný protokol. Skúmali sme vplyv rastúcej iónovej sily na geometriu RNA štruktúry. Výskum v tejto oblasti môže poskytnúť veľmi cenné informácie o chovaní RNA v prehistorických podmienkach, kedy sa predpokladá, že prvotné jazierka obsahovali veľmi koncentrované roztoky solí. Posledná časť sa týkala skúmania energetiky, hlavne vplyvu mutácie guanínu na inozín. Tu sme testovali TI ako perspektívnu metódu, použitelnú na získanie dôležitých informácií o energetike nukleových kyselín. V závere potvrdzujeme použitie doterajšieho simulačného protokolu s ff99bsc0 a daľej navrhujeme jeho použitie s vodným typom SPC/E a Joungovými iónovými parametrami, táto kombinácia vykazovala najväcšiu stabilitu spomedzi všetkých simulovaných štruktúr. Pri rastúcej iónovej sile sme pozorovali pokles pre delta a chi torzné uhly a taktiež pokles pre štruktúrne parametre sklz (slide), skrut (twist) and vychýlenie z osi x (x-displacement). Pri najvyššej iónovej sile sa rozdiel v šírke malého a veľkého žliabku vytratil a celá štruktúra sa javila viac otvorená. Predbežne môžeme predpokladať, že pozorované zmeny sú spôsobené vychytávaním K+ iónov vo veľkom žliabku a taktiež špecifickou väzbou K+ na ne-Watson-Crickovské páry báz (G/U wobble and AH(+)/C). Na záver sme získali výsledky pre TI, semikvantitatívne porovnatelné s experimentálnymi hodnotami a týmto sme potvrdili potenciál TI metódy pre dalšie použitie. Avšak, stretli sme sa aj s problémov nedostatočného vzorkovania pre niektoré dihedrálne uhly, hlavne chi dihedrál čo má priamy dopad na získané hodnoty energie.

Abstract:

Ribonucleic acid (RNA) is an essential molecule for almost all of the known organism. The structure and energetics of RNA play important roles in the RNA functionality. In order to reveal some of the RNA structural behavior and energetics, we have performed molecular dynamic simulations (MD) and MD with Thermodynamic Integration (TI) of A-RNA duplexes. We have examined an influence of different force fields (ff99 and ff99bsc0), water type (SPC/E and TIP3P), lower-salt conditions (Na+) and higher salt conditions (KCl), as well as different set of ion parameters for K+ ion (Joung and Dang) on simulated RNA structure. The aim of this comparison is to further improve used optimal simulation protocols. Moreover, the dependence of the A-RNA geometry on the increasing ionic strength was investigated, which can help in understanding of RNA behavior under the Early earth conditions. The last aim is to use TI as an effective tool for studies of RNA energetics, especially Guanine (G) to Inosine (I) mutation. The results propose that currently used optimal protocol with ff 99bsc0 should be complemented with using of the SPC/E water type and the Joung set of parameters. The simulations with SPC/E and Joung parameters seems to be less affected by fluctuations of studied system and therefore yield more stable structures. Simulations with the changing ionic strength show for the highest ionic strength that the difference between major and minor groove widths vanished. The delta and chi torsions together with slide, twist and x-displacement were declining with rising ionic strength. And finally the structure seems to be more opened. This may be caused by tendency of structure to entrap K+ ions into its major groove as well as specific binding of K+ by non-canonical Watson Crick base pairs (G/U wobble and AH(+)/C). The TI is capable of providing reasonable results, semiquantitatively comparable with experimental values. Further, we experienced that an insufficient sampling of some torion angles, especially chi torsion, has impact on the obtained energy.

Keywords

RNA, molekulárna dynamika, termodynamická integrácia, optimálny simulačný protokol, iónová sila, štruktúra a energetika, kvalita vzorkovanie

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 6. 5. 2011

Identifier: 153165

Thesis defence

• Supervisor: Doc. RNDr. Michal Otyepka, Ph.D.

PALACKÝ UNIVERSITY IN OLOMOUC

Faculty of Science

Master programme / field:
Physics / Biophysics