Projekti / Programi
Pred zvite strukture DNA G-kvadrupleksov
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.04.02 |
Naravoslovje |
Kemija |
Strukturna kemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P003 |
Naravoslovno-matematične vede |
Kemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.04 |
Naravoslovne vede |
Kemija |
DNA, kvadrupleks, intermediati, NMR, zvijanje
Raziskovalci (8)
Organizacije (2)
Povzetek
Poleg dobro poznane desnosučne B oblike dvojne vijačnice lahko DNA molekule tvorijo strukture višjega reda kot so npr. G-kvadrupleksi. Čeprav je dobro poznano dejstvo, da molekula DNA shranjuje in prenaša genetsko informacijo, je odkritje, da lahko z gvanini bogata zaporedja DNA tvorijo G-kvadrupleksne strukture, razkrilo nove biološke vloge DNA. G-kvadrupleksi so zelo stabilne sekundarne strukture višjega reda, ki jih lahko tvorijo z gvanini bogate DNA. Taka zaporedja so našli v pomembnih regijah, kot so, na primer, v človeških telomerah in promotorskih regijah onkogenov. Zato je tvorba G-kvadrupleksov tesno povezana s človeškimi boleznimi. Za razumevanje delovanja celice, je ključno poznavanje njenih sestavnih delov ter njihovega medsebojnega delovanje teh delov, pri čemer so funkcije molekul v tesni povezavi z njihovimi tridimenzionalnimi strukturami. G-kvadrupleksi so strukturno zelo polimorfni. G-kvartet, osnovni gradnik G-kvadrupleksa, potrebuje za svoj nastanek prisotnost kationov, ki zmanjšajo elektrostatski odboj med karbonilnimi kisikovimi atomi na C6 gvaninov. Kationi se nahajajo v osrednjem kanalu G-kvadrupleksne strukture, kjer se lahko premikajo med vezavnimi mesti, ali pa se izmenjujejo s kationi v raztopini. Strukturne značilnosti G-kvadrupleksov narekujejo smer gibanja kationov. Razvoj majhnih molekul, ki se lahko vežejo in s tem pomagajo pri oblikovanju in stabilizaciji G-kvadrupleksnih struktur je v središču pozornosti iskanja zdravil proti raku in protivirusnim obolenjem. G-kvadrupleksi se lahko zaradi njihove strukturne raznolikosti in visoko temperaturne stabilnosti uporabljajo tudi kot gradniki funkcionalnih materialov in v biotehnologiji. V nasprotju z dvojno vijačno DNA strukturo je v primeru kvadrupleksov še veliko stvari, ki jih je potrebno razumeti. Nedavne študije s pomočjo NMR spektroskopije in drugih metod, ki so bile izvedene v našem laboratoriju so pokazale, da hidrodinamske dimenzije modelov z gvanini bogatih oligonukleotidov v odsotnosti soli ne ustrezajo iztegnjeni cilindrični obliki linearnega oligomera. V odsotnosti kationov lahko tako z gvanini bogata zaporedja tvorijo specifične predorganizirane strukture, ki lahko hitro, vendar ne naključno, preko različno kompleksnih mehanizmov tvorijo številne strukturno različne G-kvadrupleksne strukture. Tvorba G-kvadrupleksov na telomernih koncih in v regulatornih z gvanini bogatih regijah genov lahko poteka preko različnih intermediatov, ki so na splošno nestabilni in jih je zato težko odkriti. Do sedaj je bilo veliko raziskav opravljenih na področju strukturne določitve G-kvadrupleksnih struktur, ki jih tvorijo različna oligonukleotidna zaporedja, ki izhajajo iz telomernih in promotorskih regij genov ljudi in drugih organizmov. Po našem vedenju obstajata samo dve publikaciji, ki opisujeta bolj detajlno določevanje strukturnih značilnosti z gvanini bogatih DNA oligonukleotidov preden se le-ti preoblikujejo v G-kvadruplekse.
Cilj sedanjega projekta je poglobiti znanje o mehanizmih nastajanja G-kvadrupleksov in njihovih novih strukturnih značilnosti s poudarkom na njihovih pred zvitih strukturah. NMR spektroskopija predstavlja vrhunsko orodje za ugotavljanje narave vodikovih vezi med nukleotidi, ki so lahko del pred zvitih ali G-kvadrupleksnih struktur, kakor tudi za določanje njihovih 3D struktur in bo tekom projekta naše osnovno raziskovalno orodje. Za dodatno karakterizacijo pred zvitih in G-kvadrupleksnih struktur bomo uporabili nativno gelsko elektroforezo, termalno diferenčne spektre (TDS), CD spektroskopijo, UV spektroskopijo in DSC kalorimetrijo.
Pomen za razvoj znanosti
Pričakovani rezultati naših raziskav bodo pripomogli k razširitvi in poglobitvi znanja o razumevanju različnih strukturnih lastnosti DNA kvadrupleksnih struktur in njihovih pred zvitih oblik. Do sedaj je bilo veliko raziskav opravljenih na področju strukturne določitve G-kvadrupleksnih struktur, ki jih tvorijo različna oligonukleotidna zaporedja, ki izhajajo iz telomernih in promotorskih regij genov ljudi in drugih organizmov. Po našem vedenju obstajata samo dve publikaciji, ki opisujeta bolj detajlno določevanje strukturnih značilnosti z gvanini bogatih DNA oligonukleotidov preden se le-ti preoblikujejo v G-kvadruplekse. Takšno znanje je lahko ključnega pomena pri pojasnjevanju strukturnega polimorfizma G-kvadrupleksnih struktur, kakor tudi kinetike zvijanja. Takšne vrste študij, pri katerih lahko strukturno, termodinamsko in kinetično ovrednotimo intermediatna stanja predstavljajo pomemben korak v prizadevanjih, da bi pojasnili splošna načela po katerih G-kvadrupleksi prevzamejo nativno zvitje. Razumevanje nastanka G-kvadrupleksov bo prispevalo k bolj natančnemu načrtovanju novih G-kvadrupleksnih ligandov, ki bi se specifično vezali le na točno določeno strukturo, kakor tudi pri načrtovanju nano napravic na osnovi nukleotidov. Poznavanje pred zvitih struktur bo omogočilo njihovo ciljanje že v fazi pred tvorbo G-kvadrupleksov, ki lahko igrajo ključno vlogo pri bioloških funkcijah. To odpira novo možnost pri regulaciji izražanja genov z manipuliranjem pred zvitih struktur na poti v G-kvadrupleks. Prispevali bomo tudi k razvoju eksperimentalnih metod za določitev DNA struktur.
Pomen za razvoj Slovenije
Raziskava korelacij med strukturo in funkcijo je zelo pomembna za farmacevtsko industrijo. Naše študije bodo potencialno pripomogle pri razvoju novih področij znanstvenih raziskav znotraj Slovenije, v glavnem na področju razumevanja strukturnih lastnosti DNA kvadrupleksnih strukur in njihovih pred zvitih oblik. Vse to je mogoče uporabiti kot tarče za razvoj novih zdravil, kakor tudi pri oblikovanju nano napravic na osnovi oligonukleotidov. Nova zdravila bi lahko spodbudila farmacevtska podjetja k še večjemu zanimanju za to področje in posledično k odpiranju novih delovnih mest v Sloveniji.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
