Projekti / Programi
NMR študije vloge kationov za zvitje in stabilizacijo kvadrupleksov DNK
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.04.00 |
Naravoslovje |
Kemija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P003 |
Naravoslovno-matematične vede |
Kemija |
NMR, struktura, DNK, kationi, interakcije
Raziskovalci (2)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
10082 |
dr. Janez Plavec |
Kemija |
Vodja |
2008 - 2011 |
1.255 |
| 2. |
22575 |
dr. Primož Šket |
Kemija |
Raziskovalec |
2008 - 2011 |
217 |
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
20.942 |
Povzetek
Molekule DNK lahko poleg dobro poznane B oblike dvojne vijačnice tvorijo tudi številne strukture višjega reda, kot so n.pr. G-kvadrupleksne strukture. Pomen G-kvadrupleksnih struktur, ki jih tvorijo oligonukleotidna zaporedja bogata z gvanini se kaže v tem, da je tvorba takšnih struktur udeležena pri številnih pomembnih bioloških procesih in so zato postale tarče za razvoj učinkovin na področju raka, staranja, diabetesa, centralnega živčnega sistema in kardiovaskularnih bolezni. G-kvadrupleksne strukture so zanimive tudi v nanotehnologiji. Razumevanje bioloških vlog in funkcij G-kvadrupleksov je povezana s poznavanjem njihovih 3D struktur in dinamičnih lastnosti. V okviru projekta bomo s pomočjo NMR spektroskopije dobili vpogled v 3D strukturo z atomsko resolucijo. Ti podatki bodo med drugim uporabni pri razvoju molekul, ki stabilizirajo G-kvadruplekse z vezavo na določene strukturne elemente. Nove strukture bodo v pomoč pri iskanju povezav med oligonukleotidnim zaporedjem in 3D strukturo. Posvetili se bomo tudi lokalizaciji kationov, ki igrajo pomembno vlogo pri stabilizaciji G-kvadrupleksov. Z NMR spektroskopijo bomo spremljali vezavo in dinamične procese izmenjave kationov znotraj G-kvadrupleksov in z okoliško raztopino. Razvili bomo nove metode za študij izmenjave kationov, ki bodo istočasno omogočale vpogled v 3D strukturo z atomsko resolucijo in v hitrost izmenjave med posameznimi vezavnimi mesti, kar bo v pomoč pri razvoju umetnih ionskih kanalov in pri razumevanju električnega prevajanja nanožičk, ki so narejene iz DNK.
Pomen za razvoj znanosti
DNK je ena od najpomembnejših molekul v našem življenju. Poleg desnosučne B oblike dvojne vijačnice lahko privzame še celo vrsto drugih oblik. Med drugim lahko molekule DNK tvorijo strukture višjega reda kot so kvadrupleksi, kjer se med sabo povežejo štirje prameni več molekul ali znotraj iste molekule. Tvorijo jih DNK zaporedja bogata z gvaninskimi (G) nukleotidi in jih zato imenujemo G–kvadrupleksi. Zanimanje za G-kvadruplekse se je v zadnjem času zelo povečalo, saj so se pojavili dokazi o vpletenosti teh struktur pri različnih izredno pomembnih bioloških procesih in o možnosti uporabe teh nenavadnih struktur v terapevtske namene. G-kvadrupleksi igrajo pomembne biološke vloge v organizmu in so uporabne tarče za biomedicinske aplikacije. G-kvadrupleksi sami so lahko zdravila (n.pr. antivirusne učinkovine, diabetes, aptameri). Tvorba G-kvadrupleksnih struktur na telomernih koncih DNK in njihova stabilizacija s specifičnimi ligandi pa inhibira telomerazno aktivnost v rakastih celicah. Naše raziskave so pomembne z vidika razvoja novih terapevtskih agentov na osnovi poznavanje strukturnih detajlov G-kvadrupleksov, kakor tudi zaradi potencialne uporabe teh struktur na drugih področjih kot sta supramolekularna kemija in nanotehnologija.
V okviru projekta smo pridobili nove informacije o zvijanju in strukturi G-kvadrupleksov. 3D struktura in posledično tudi funkcija nukleinskih kislin v organizmu sta močno odvisni od prisotnosti kovinskih ionov. G-kvadrupleksi so izrazit primer te odvisnosti in zaradi močne vezave kovinskih ionov predstavljajo odličen modelni sistem za študij interakcij nukleinskih kislin s kovinskimi ioni. Z uporabo amonijevega iona označenega z izotopom 15N, ki je na NMR časovni skali v počasni izmenjavi, določamo položaj vezavnih mest za monovalentne katione znotraj struktur G-kvadrupleksov. Študije z NMR spektroskopijo omogočajo vpogled v jakost vezave kationov na posamezno vezavno mesto in v dinamiko izmenjave posameznih ionov znotraj G-kvadrupleksne strukture in z raztopino.
Pomen za razvoj Slovenije
Spekter bioloških procesov, v katerih domnevno nastopajo G-kvadrupleksne strukure, se je v zadnjem obdobju močno razširil. G-kvadrupleksi so zelo zanimivi kot potencialna tarča v protirakasti terapiji, saj njihova tvorba inhibira encim telomerazo. Zato ni presenetljivo, da je veliko raziskav usmerjenih v iskanje ligandov, ki se vežejo na G-kvadruplekse in jih stabilizirajo. Pri tem je nujno potrebno poznati strukturne motive, ki so na voljo tem strukturam. Na ta način bi namreč lahko načrtovali bolj učinkovite ligande za stabilizacijo G-kvadrupleksov, ki bi lahko bili uporabni kot potencialne protirakaste učinkovine. Stabilnost G-kvadrupleksov je zelo odvisna od vrste kovinskih ionov prisotnih v raztopini, zato menimo, da so naše raziskave na tem področju pomemben prispevek k razvoju potencialnih novih zdravilnih učinkovin. S kontroliranim spreminjanjem pogojev v raztopini lahko vodimo strukturne spremembe v G-kvadrupleksih v točno določeno smer, kar bi bilo lahko uporabno v dizajniranju molekulskih stikal in nano-napravic. Naše strukturne študije so pokazale, da niti pri relativno preprostih oligonukleotidnih zaporedjih ne poznamo vseh strukturnih motivov, ki jih lahko tvorijo G-kvadrupleksi. Ugotovili smo tudi, da že majhne razlike v pogojih (n.pr. oligonukleotidno zaporedje ali vrsta kovinskih ionov) lahko privedejo do velikih razlik v strukturi. Nove strukturne informacije bodo uporabne pri načrtovanju novih protirakastih učinkovin, kar bi bilo lahko zanimivo za farmacevtsko industrijo v Sloveniji. S študijami vezave kovinskih ionov na G-kvadruplekse smo razširili naše znanje o interakcijah kovinskih ionov z nukleinskimi kislinami. To področje je izredno zahtevno, saj je zelo težko priti do informacij (predvsem direktnih) o vezavi kationov. G-kvadrupleksi so zelo dober model za takšne raziskave, saj je z uporabo posebnih NMR metod mogoče locirati specifična vezavna mesta za posamezne katione. Izsledke naših raziskav smo objavljali v priznanih mednarodnih publikacijah in predstavljali na mednarodnih srečanjih in konferencah ter jih na ta način prezentirali ostalim raziskovalcem in širši javnosti. Z razvojem NMR metod za študij G-kvadrupleksov smo prispevali k napredku NMR spektroskopije in Nacionalnega NMR centra, ki tesno sodeluje s slovensko industrijo.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2008,
2009,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2008,
2009,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
