Refine
Document Type
- Article (6)
- Doctoral Thesis (1)
Has Fulltext
- yes (7)
Is part of the Bibliography
- no (7)
Keywords
- RNA (2)
- B. subtilis (1)
- Direct carbon (1)
- E. coli (1)
- High-throughput screening (1)
- Molecular modelling (1)
- NMR spectroscopy (1)
- RNASolution-state NMR (1)
- Target validation (1)
- biochemistry (1)
Institute
- Biochemie und Chemie (7) (remove)
Modification of SMN2 exon 7 (E7) splicing is a validated therapeutic strategy against spinal muscular atrophy (SMA). However, a target-based approach to identify small-molecule E7 splicing modifiers has not been attempted, which could reveal novel therapies with improved mechanistic insight. Here, we chose as a target the stem-loop RNA structure TSL2, which overlaps with the 5′ splicing site of E7. A small-molecule TSL2-binding compound, homocarbonyltopsentin (PK4C9), was identified that increases E7 splicing to therapeutic levels and rescues downstream molecular alterations in SMA cells. High-resolution NMR combined with molecular modelling revealed that PK4C9 binds to pentaloop conformations of TSL2 and promotes a shift to triloop conformations that display enhanced E7 splicing. Collectively, our study validates TSL2 as a target for small-molecule drug discovery in SMA, identifies a novel mechanism of action for an E7 splicing modifier, and sets a precedent for other splicing-mediated diseases where RNA structure could be similarly targeted.
Der 2‘-Desoxyguanosin-Riboschalter gehört zur unter Bakterien weit verbreiteten Klasse der Purin-Riboschalter. Allerdings wurden 2‘-Desoxyguanosin-bindende Riboschalter bisher ausschließlich in M. florum gefunden, damit stellt diese RNA eine Ausnahme unter den ansonsten verbreiteten Purin-Riboschaltern dar. In der vorliegenden Arbeit wurde ein NMR-Strukturmodell des IA-Aptamer-2‘-Desoxyguanosinkomplexes erstellt und anhand der mittels NMRSpektroskopie zugänglichen strukturellen Informationen sowohl Struktur und Dynamik des freien RNA-Aptamers als auch des 2‘-Desoxyguanosinkomplexes charakterisiert. Dabei wurde insbesondere der Einfluss von Mg2+ auf Struktur und Dynamik der jeweiligen Zustände sowie auf den durch 2‘-Desoxyguanosin induzierten Faltungsprozess untersucht.
Mg2+-Ionen modulieren die Faltungstrajektorien von sensorischen RNA-Domänen. Die Übertragbarkeit von Mg2+-abhängigen Charakteristika der RNA-Faltung innerhalb verschiedener Messmethoden ist durch die schlechte Vergleichbarkeit der relativen Konzentrationsverhältnisse eingeschränkt. Die NMR-spektroskopisch beobachtbaren Mg2+-Einflüsse sollten also unter besonderer Berücksichtigung der für NMR benötigten vergleichsweise sehr hohen RNAKonzentrationen mit Ergebnissen aus kalorimetrischen oder fluoreszenzspektroskopischen Messungen interpretiert werden. Die in der NMR-Spektroskopie üblichen hohen Probenkonzentrationen befinden sich in dem Regime, in dem auch der physikalische Effekt des verdrängten Volumens eine Rolle zu spielen beginnt. Demnach ist es für die RNA-Moleküle im NMR-Probenröhrchen bei Konzentrationen von 5-10 mg/ml auch ohne Zugabe von Mg2+ entropisch günstiger, kompakte Konformationen einzunehmen. Die Relevanz des Effekts des verdrängten Volumens für die RNA-Faltung unter NMR-Bedingungen und unter zellulären Bedingungen ist Gegenstand der aktuellen Forschung und wird in dieser Arbeit am Beispiel des IA-Aptamers diskutiert.
Der oft einzigartige Bindungsmodus ubiquitärer Metaboliten durch bakterielle Riboschalter (Montange and Batey, 2006) ermöglicht prinzipiell den Einsatz von RNA-Aptameren in vivo, ohne mit zellulären Proteinsystemen zu interferieren (Mulhbacher et al., 2010). Therapeutische Ziele sind beispielsweise die Anwendung von Riboschaltern gegen bakterielle Pathogene beziehungsweise gegen pathogene Bakterien selbst. Eine weitere Rolle wird RiboschalterElementen zukünftig als Bausteine in der synthetischen Biologie zukommen (Dixon et al., 2010; Knight, 2003; Topp and Gallivan, 2008). Hierfür ist es von grundlegender Bedeutung, Charakterisierung von Struktur als Basis für das Verständnis von Funktion unter zellulären Bedingungen zu etablieren. Im Rahmen einer Zusammenarbeit mit Robert Hänsel aus dem Arbeitskreis von Prof. Dr. Volker Doetsch wurde am Beispiel des IA-Aptamers und einer nichtnatürlichen Sequenzvariante gezeigt, dass eine strukturelle Charakterisierung von Riboschaltern mittels in cell NMR-Spektroskopie möglich ist. In Zusammenarbeit mit Karl von Laer aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Beatrix Suess wurden beide RNA-Aptamer hinsichtlich ihrer Funktion in einem biologischen Assay getestet. Die Ergebnisse dieser Experimente zeigten eine deutliche Korrelation von Struktur und Funktion in vivo, während Diskrepanzen zwischen Struktur in vitro und Funktion in vivo demonstriert werden.
Weiterhin wurde im Rahmen dieser Arbeit gezeigt, dass eine gewisse strukturelle Flexibilität der Bindungstaschen regulatorischer RNA-Motive für Selektion und Adaption während Evolution nötig ist. Beispielsweise wurde für den Guanin-Riboschalter gezeigt, dass der nicht-native Ligand 2‘-Desoxyguanosin zur Komplexbildung des Aptamers führt. Demnach könnte die Bindung von 2‘-Desoxyguanosin im Guanin-Riboschalter bereits evolutionär angelegt sein und die Entstehung des IA-Aptamers nach Genomreduktion der Mesoplasmen begünstigt haben. Das IA-Aptamer dagegen bindet Guanin nicht, stattdessen besitzt M. florum auf Guanin spezialisierte Sequenzvarianten dieses Riboschalters (Kim et al., 2007). Strukturell hochauflösende Einblicke in unterschiedliche Zustände der Bindungstasche im G-Aptamer-Thioguaninkomplex, die durch die Lösung der Kristallstruktur des GLoop-Aptamers ermöglicht wurden, unterstützen die Hypothese einer anpassungsfähigen Bindungstasche im G-Aptamer. Für B. subtilis wäre es interessant, die physiologische Bedeutung der Komplexbildung des G-Aptamers mit 2‘-Desoxyguanosin zu untersuchen.
The mfl-riboswitch regulates expression of ribonucleotide reductase subunit in Mesoplasma florum by binding to 2´-deoxyguanosine and thereby promoting transcription termination. We characterized the structure of the ligand-bound aptamer domain by NMR spectroscopy and compared the mfl-aptamer to the aptamer domain of the closely related purine-sensing riboswitches. We show that the mfl-aptamer accommodates the extra 2´-deoxyribose unit of the ligand by forming a more relaxed binding pocket than these found in the purine-sensing riboswitches. Tertiary structures of the xpt-aptamer bound to guanine and of the mfl-aptamer bound to 2´-deoxyguanosine exhibit very similar features, although the sequence of the mfl-aptamer contains several alterations compared to the purine-aptamer consensus sequence. These alterations include the truncation of a hairpin loop which is crucial for complex formation in all purine-sensing riboswitches characterized to date. We further defined structural features and ligand binding requirements of the free mfl-aptamer and found that the presence of Mg2+ is not essential for complex formation, but facilitates ligand binding by promoting pre-organization of key structural motifs in the free aptamer.
In bacteria, the regulation of gene expression by cis-acting transcriptional riboswitches located in the 5'-untranslated regions of messenger RNA requires the temporal synchronization of RNA synthesis and ligand binding-dependent conformational refolding. Ligand binding to the aptamer domain of the riboswitch induces premature termination of the mRNA synthesis of ligand-associated genes due to the coupled formation of 3'-structural elements acting as terminators. To date, there has been no high resolution structural description of the concerted process of synthesis and ligand-induced restructuring of the regulatory RNA element. Here, we show that for the guanine-sensing xpt-pbuX riboswitch from Bacillus subtilis, the conformation of the full-length transcripts is static: it exclusively populates the functional off-state but cannot switch to the on-state, regardless of the presence or absence of ligand. We show that only the combined matching of transcription rates and ligand binding enables transcription intermediates to undergo ligand-dependent conformational refolding.
The mfl-riboswitch is a transcriptional off-switch, which down-regulates expression of subunit ß of ribonucleotide reductase in Mesoplasma florum upon 2´-deoxyguanosine binding. We characterized binding of 2´-deoxyguanosine to the mfl-aptamer domain (WT aptamer) and a sequence-stabilized aptamer (MT aptamer) under in vitro and ‘in-cell-like’ conditions by isothermal titration calorimetry (ITC) and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. ‘In-celllike’ environment was simulated by Bacillus subtilis cell extract, in which both aptamers remained sufficiently stable to detect the resonances of structural elements and ligand binding in 2D NMR experiments. Under ‘in-cell-like’-environment, (i) the WT aptamer bound the endogenous metabolite guanosine and (ii) 2´-deoxyguanosine efficiently displaced guanosine from the WT aptamer. In contrast, MT aptamer exhibited moderate binding to 2´-deoxyguanosine and weak binding to guanosine. NMR experiments indicated that binding of guanosine was not limited to the aptamer domain of the riboswitch but also the full-length mfl-riboswitch bound guanosine, impacting on the regulation efficiency of the riboswitch and hinting that, in addition to 2´-deoxyguanosine, guanosine plays a role in riboswitch function in vivo. Reporter gene assays in B. subtilis demonstrated the regulation capacity of the WT aptamer, whereas the MT aptamer with lower affinity to 2´ -deoxyguanosine was not able to regulate gene expression.
Riboswitch RNAs fold into complex tertiary structures upon binding to their cognate ligand. Ligand recognition is accomplished by key residues in the binding pocket. In addition, it often crucially depends on the stability of peripheral structural elements. The ligand-bound complex of the guanine-sensing riboswitch from Bacillus subtilis, for example, is stabilized by extensive interactions between apical loop regions of the aptamer domain. Previously, we have shown that destabilization of this tertiary loop–loop interaction abrogates ligand binding of the G37A/C61U-mutant aptamer domain (Gswloop) in the absence of Mg2+. However, if Mg2+ is available, ligand-binding capability is restored by a population shift of the ground-state RNA ensemble toward RNA conformations with pre-formed loop–loop interactions. Here, we characterize the striking influence of long-range tertiary structure on RNA folding kinetics and on ligand-bound complex structure, both by X-ray crystallography and time-resolved NMR. The X-ray structure of the ligand-bound complex reveals that the global architecture is almost identical to the wild-type aptamer domain. The population of ligand-binding competent conformations in the ground-state ensemble of Gswloop is tunable through variation of the Mg2+ concentration. We quantitatively describe the influence of distinct Mg2+ concentrations on ligand-induced folding trajectories both by equilibrium and time-resolved NMR spectroscopy at single-residue resolution.
We present here a set of 13C-direct detected NMR experiments to facilitate the resonance assignment of RNA oligonucleotides. Three experiments have been developed: (1) the (H)CC-TOCSY-experiment utilizing a virtual decoupling scheme to assign the intraresidual ribose 13C-spins, (2) the (H)CPC-experiment that correlates each phosphorus with the C40 nuclei of adjacent nucleotides via J(C,P) couplings and (3) the (H)CPC-CCH-TOCSY-experiment that correlates the phosphorus nuclei with the respective C10,H10 ribose signals. The experiments were applied to two RNA hairpin structures. The current set of 13C-direct detected experiments allows direct and unambiguous assignment of the majority of the hetero nuclei and the identification of the individual ribose moieties following their sequential assignment. Thus, 13C-direct detected NMR methods constitute useful complements to the conventional 1H-detected approach for the resonance assignment of oligonucleotides that is often hindered by the limited chemical shift dispersion. The developed methods can also be applied to large deuterated RNAs. Keywords: NMR spectroscopy , Direct carbon , detection , RNA