Projekti / Programi
Strukture štirivijačnih nukleinskih kislin s tandemskimi ponovitvami
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.04.02 |
Naravoslovje |
Kemija |
Strukturna kemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| B002 |
Biomedicinske vede |
Biofizika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.04 |
Naravoslovne vede |
Kemija |
nukleinske kisline, struktura, NMR, regulacijske regije
Raziskovalci (9)
Organizacije (2)
Povzetek
DNA poznamo predvsem kot prenašalko genetskih informacij. To njeno vlogo v živem svetu lahko razložimo z dobro znano strukturo dvojne vijačnice. Zadnjih nekaj desetletji pa se uveljavlja vedenje o zmožnosti DNA, da lahko zavzame veliko število struktur vključno z več-verižnimi vijačnicami, ki so povezane z opravljajem različnih bioloških funkcij od prenosa genetskih informacij do katalize in regulacije. Številna promotorska zaporedja vključujejo z gvanini bogate ponovitve, ki se lahko zvijejo v kvadrupleksne strukture. G-kvadrupleks je štiri-verižna sekundarna struktura, ki jo tvorijo z gvanini bogate nukleinske kisline in pridobiva vse več pozornosti kot tarča za terapevtsko posredovanje. Osnovni gradnik G-kvadrupleksa je G-kvartet, v katerem so štirje gvaninski ostanki povezani z osmimi vodikovimi vezmi v Hoogsteenovi geometriji v koplanarni strukturni element. AGCGA-kvadrupleksi pa so nova strukturna družina, ki smo jo opisali šele nedavno. Pri njih je posebej zanimivo, da se z gvanini bogati trakti pojavijo v zankah in ne v sredici strukture, kot je značilno za G-kvadruplekse. Predlagane raziskave bodo pripomogle k razširitvi in poglobitvi znanja o zvijanju zaporedij DNA, ki so vpletena v regulacijo izražanja (onko)genov in glede na svoja zaporedja lahko tvorijo G- ali AGCGA-kvadruplekse. AGCGA ponovitve so našli v regulacijskih regijah različnih človeških genov, ki so povezani z razvojem možganov in nevrološkimi motnjami, nenormalnimi hrustančnimi in kostnimi tvorbami, rakom kakor tudi z regulacijo osnovnih celičnih procesov. Za razumevanje procesov v naravi je ključno poznavanje odnosa struktura-lastnost, ki v zadnjem času vključuje tudi poznavanje dinamičnih lastnosti molekul, ki ga lahko pridobimo z NMR študijami. V okviru predlaganega projekta načrtujemo študije strukturnih značilnosti z gvanini-bogatih genomskih zaporedij DNA, za katere pričakujemo, da bodo tvorili kvadrupleksne strukture. Osredotočili se bomo predvsem na promotorske regije povezane s proteini, ki so pomembni pri nevroloških motnjah, razvoju kosti in hrustancev in rakavih obolenjih. Nedavne študije so pokazale, da so območja DNA s tandemskimi ponovitvami vpletena v patogenezo različnih bolezni in so zato pomembna tarča pri razvoju zdravil. To vlogo je mogoče pripisati njihovim z gvanini bogatim promotorjem in represorjem, ki se potencialno lahko zvijeta v strukture G- ali AGCGA-kvadrupleksov. Številne ugotovitve potrjujejo hipotezo, da sta lahko tvorba in razvitje G-kvadrupleksnih struktur vpletena v regulacijo izražanja genov. Pretekle študije so pokazale, da so G-kvadrupleksi zelo polimorfni, kar povezujemo s specifiko oligonukleotidnih zaporedij in s pogoji v raztopini. Posebno pozornost bomo posvetili naravi in zaporedju zank, saj je njihova struktura zelo pomembna z vidika interakcije med molekulo DNA in ligandi (potencialnimi učinkovinami). Obetavna terapevtska strategija za zaviranje transkripcije proteinov je uvedba policikličnih aromatskih ogljikovodikov kot so interkalirajoči nukleotidni ostanki, ki lahko stabilizirajo kvadruplekse in preprečijo transkripcijo. Strategija na osnovi kvadrupleksnih vab sloni na predpostavki, da te strukture tekmujejo z vezavo transkripcijskih faktorjev na promotorje in s tem zavirajo izražanje proteinov. Za povečanje svoje aktivnosti morajo kvadrupleksne vabe ohraniti 3D strukturo, ki jo prepoznava transkripcijski faktor in biti odporne proti nukleazam. Primarna raziskovalna metoda bo NMR spektroskopija visoke ločljivosti. Načrtujemo, da bomo rezultate dopolnili z UV, CD in drugimi biofizikalnimi metodami. Z uporabo strukturno-vodenega načrtovanja pričakujemo, da bomo optimizirali položaj interkalirajočih nukleotidnih ostankov s pirenskimi kromofori. Poudarjamo, da so glavni cilji predlaganih študij visoko inovativni, čeprav gradijo na prejšnjih izkušnjah. Projektna skupina je vodilna v svetu na tem področju in opisanih predlogov raziskav nikakor ni mogoče poenostavljeno obravnavati kot nadaljevanje.
Pomen za razvoj znanosti
Rezultati predlaganih raziskav bodo pripomogli k razširitvi in poglobitvi znanja o zvijanju zaporedij DNA, ki so vpletena v regulacijo izražanja (onko)genov in zaradi svojega oligonukleotidnega zaporedja lahko tvorijo G- ali AGCGA-kvadruplekse. Številni promotorji vključujejo z gvanini bogata zaporedja, ki se lahko zvijejo v kvadrupleksne strukture. AGCGA ponovitve so našli v regulacijskih regijah različnih človeških genov, ki so povezani z razvojem možganov in nevrološkimi motnjami, nenormalnimi hrustančnimi in kostnimi tvorbami, rakom kakor tudi regulacijo osnovnih celičnih procesov. Za razumevanje procesov v naravi je ključno poznavanje odnosa struktura-lastnost, ki v zadnjem času vključuje tudi poznavanje dinamičnih lastnosti molekul, ki ga lahko pridobimo z NMR študijami. Do sedaj je zelo malo znanega o strukturnih motivih G-kvadrupleksnih struktur, ki jih privzemajo z gvanini bogata območja v promotorskih regijah onkogenov. AGCGA-kvadrupleksi pa so nova strukturna družina, ki smo jo opisali šele nedavno. Poznavanje strukturnih lastnosti je pomembno za razumevanje regulacije izražanja genov in pri načrtovanju novih organskih molekul, ki bi lahko specifično stabilizirale določeno kvadrupleksno strukturo. To bo pripomoglo v boju proti raznim oblikam raka in mnogim virusnim obolenjem. Poleg tega so organske molekule s fluorescenčnimi lastnostmi uporabne kot in vivo sonde. Prostorske strukture z visoko ločljivostjo bodo dale potreben vpogled v naravo interakcij med aromatskimi skupinami interkalirajočih ostankov in G-kvadrupleksi. Trenutno je ob pomanjkanju podatkov o geometriji interakcije težko racionalizirati afinitete interkalirajočih ostankov. Posebno pozornost bomo posvetili interakciji interkalirajočih nukleotidnih ostankov z zankami in z bližnjimi kvarteti. Rezultati predlaganih študij struktur in interakcij bodo omogočili napovedovanje novih interkalirajočih nukleotidnih ostankov in njihovo vključitev v oligonukleotidne lažne tarče transkripcijskih faktorjev z izboljšanimi lastnostmi. V sodelovanju s tujim partnerjem načrtujemo testiranje z gvanini bogatih oligonukleotidnih lažnih tarč in uspešnost supresije izražanja genov v modelnih živalih. Prispevali bomo tudi k razvoju eksperimentalnih metod za določitev DNA struktur. Nove 'in cell' NMR metode bodo omogočile študij strukture znotraj celičnega okolja.
Pomen za razvoj Slovenije
Results of the proposed studies will contribute to expansion and deepening of knowledge on folding of DNA sequences which are involved in regulation of expression of (onco)genes and can fold according to their oligonucleotide structures into G- or AGCGA-quadruplexes. Numerous promoters contain G-rich elements that can fold into quadruplexes. AGCGA repeat sequences have been located in regulatory regions of various human genes connected to neurodevelopment and neurological disorders, abnormal cartilage and bone formations, cancer and regulation of basic cellular processes. In order to understand the processes in nature it is vital to consider structure-property relationship, which in recent times includes knowledge of the dynamic properties of molecules that can be obtained by NMR studies. Up till now, very little is known about G-quadruplex structures adopted by G-rich regions found in promoter regions of oncogenes. AGCGA quadruplexes are a new structural family that we have described only recently. Knowledge of structural features is important for understanding the regulation of gene expression and can be of help in designing of novel organic molecules that could specifically stabilize certain quadruplex structures. This will help against various forms of cancer and many viral diseases. Alternatively, organic molecules with fluorescent properties can be used as in vivo probes. High-resolution 3D structures will provide much needed insight into the nature of interactions of aromatic groups of intercalating residues and G-quadruplexes. Currently it is difficult to rationalize affinities of intercalating residues due to the absence of appropriate data on geometry of interaction. Special consideration will be given to interaction of individual intercalating residues with loops and nearby G-quartets. The results of the proposed studies of structures and interactions will enable the prediction of new intercalating residues and their incorporation in the oligonucleotide decoys of transcription factors with improved properties. In co-operation with the foreign partner we are planning to test the guanine-rich oligonucleotide decoys and effectiveness of suppression of expression of genes in model animals. We will also contribute to the development of experimental methods for DNA structure elucidation. Novel 'in cell' NMR methods will be developed to facilitate DNA structure elucidation within confines of cell environment.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo
