540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
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The SARS-CoV-2 nucleocapsid (N) protein is crucial for the highly organized packaging and transcription of the genomic RNA. Studying atomic details of the role of its intrinsically disordered regions (IDRs) in RNA recognition is challenging due to the absence of structure and to the repetitive nature of their primary sequence. IDRs are known to act in concert with the folded domains of N and here we use NMR spectroscopy to identify the priming events of N interacting with a regulatory SARS-CoV-2 RNA element. 13C-detected NMR experiments, acquired simultaneously to 1H detected ones, provide information on the two IDRs flanking the N-terminal RNA binding domain (NTD) within the N-terminal region of the protein (NTR, 1–248). We identify specific tracts of the IDRs that most rapidly sense and engage with RNA, and thus provide an atom-resolved picture of the interplay between the folded and disordered regions of N during RNA interaction.
Ribonucleic acid oligonucleotides (RNAs) play pivotal roles in cellular function (riboswitches), chemical biology applications (SELEX-derived aptamers), cell biology and biomedical applications (transcriptomics). Furthermore, a growing number of RNA forms (long non-coding RNAs, circular RNAs) but also RNA modifications are identified, showing the ever increasing functional diversity of RNAs. To describe and understand this functional diversity, structural studies of RNA are increasingly important. However, they are often more challenging than protein structural studies as RNAs are substantially more dynamic and their function is often linked to their structural transitions between alternative conformations. NMR is a prime technique to characterize these structural dynamics with atomic resolution. To extend the NMR size limitation and to characterize large RNAs and their complexes above 200 nucleotides, new NMR techniques have been developed. This Minireview reports on the development of NMR methods that utilize detection on low-γ nuclei (heteronuclei like 13C or 15N with lower gyromagnetic ratio than 1H) to obtain unique structural and dynamic information for large RNA molecules in solution. Experiments involve through-bond correlations of nucleobases and the phosphodiester backbone of RNA for chemical shift assignment and make information on hydrogen bonding uniquely accessible. Previously unobservable NMR resonances of amino groups in RNA nucleobases are now detected in experiments involving conformational exchange-resistant double-quantum 1H coherences, detected by 13C NMR spectroscopy. Furthermore, 13C and 15N chemical shifts provide valuable information on conformations. All the covered aspects point to the advantages of low-γ nuclei detection experiments in RNA.
An automated NMR chemical shift assignment algorithm was developed using multi-objective optimization techniques. The problem is modeled as a combinatorial optimization problem and its objective parameters are defined separately in different score functions. Some of the heuristic approaches of evolutionary optimization are employed in this problem model. Both, a conventional genetic algorithm and multi-objective methods, i.e., the non-dominated sorting genetic algorithms II and III (NSGA2 and NSGA3), are applied to the problem. The multi-objective approaches consider each objective parameter separately, whereas the genetic algorithm followed a conventional way, where all objectives are combined in one score function. Several improvement steps and repetitions on these algorithms are performed and their combinations are also created as a hyper-heuristic approach to the problem. Additionally, a hill-climbing algorithm is also applied after the evolutionary algorithm steps. The algorithms are tested on several different datasets with a set of 11 commonly used spectra. The test results showed that our algorithm could assign both sidechain and backbone atoms fully automatically without any manual interactions. Our approaches could provide around a 65% success rate and could assign some of the atoms that could not be assigned by other methods.
Ubiquitin fold modifier 1 (UFM1) is a member of the ubiquitin-like protein family. UFM1 undergoes a cascade of enzymatic reactions including activation by UBA5 (E1), transfer to UFC1 (E2) and selective conjugation to a number of target proteins via UFL1 (E3) enzymes. Despite the importance of ufmylation in a variety of cellular processes and its role in the pathogenicity of many human diseases, the molecular mechanisms of the ufmylation cascade remains unclear. In this study we focused on the biophysical and biochemical characterization of the interaction between UBA5 and UFC1. We explored the hypothesis that the unstructured C-terminal region of UBA5 serves as a regulatory region, controlling cellular localization of the elements of the ufmylation cascade and effective interaction between them. We found that the last 20 residues in UBA5 are pivotal for binding to UFC1 and can accelerate the transfer of UFM1 to UFC1. We solved the structure of a complex of UFC1 and a peptide spanning the last 20 residues of UBA5 by NMR spectroscopy. This structure in combination with additional NMR titration and isothermal titration calorimetry experiments revealed the mechanism of interaction and confirmed the importance of the C-terminal unstructured region in UBA5 for the ufmylation cascade.
Die vorliegende Arbeit Zeitaufgelöste NMR-spektroskopische Untersuchung konformationeller Dynamiken in DNA G-Quadruplexen befasst sich mit der detaillierten biophysikalischen Untersuchung wichtiger strukturdynamischer Eigenschaften von nicht-kanonischen Nukleinsäure Sekundärstrukturelementen.
Im Genom aller eukaryotischer Lebewesen, insbesondere dem menschlichen Genom finden sich DNA-Sequenzabschnitte, die überdurchschnittlich Guanosin (G)-reich sind. Diese poly-G Abschnitte sind nicht zufällig im Genom verteilt, sondern häufen sich vermehrt in Genabschnitten, die besonders wichtig für die Regulation der Genexpression sind. G-reiche DNA-Sequenzen können unter geeigneten Umständen alternative Sekundärstrukturen ausbilden, die von der doppelsträngigen, kanonischen Watson-Crick Konformation abweichen. In Anwesenheit monovalenter Kationen können sich G-Nukleotide in einer Tetrade über Hoogsteen Interaktionen anlagern. Diese Tetraden können sich stapeln und dadurch sogenannte G-Quadruplexe (G4) ausbilden. Das menschliche cMYC Gen wird typischerweise als proto-Onkogen bezeichnet. Es kodiert für einen unspezifischen Transkriptionsfaktor, der bei einer Vielzahl von systematischen und soliden Tumorerkrankungen stark überexprimiert wird. Die zelluläre Konzentration des Genprodukts kann zu 90% über ein G4 cis-Element in der Promotorregion reguliert werden. Der cMYC G4 hat die Möglichkeit verschiedene Konformationen einzunehmen. Im Falle des cMYC G4 kann man zusätzliche, nicht-konventionelle Formen der konformationellen Isomerie finden. Zum einen gibt es die Möglichkeit, dass bei einem G4, der aus drei Tetraden und vier intramolekularen Strangabschnitten (dreistöckiger G4) besteht, einzelne Strangabschnitte mehr als drei konsekutive G-Nukleotide besitzen. Dadurch können sich Faltungs-Isomere bilden, die sich durch Verschieben des Strangs relativ zum verbleibenden dreistöckigen Tetradengerüst ergeben. Man spricht von G-Register Isomeren. Eine zweite Möglichkeit der Strukturisomerie ergibt sich, wenn in einer Nukleotidsequenz mehr als vier G-reiche Strangabschnitte aufeinander folgen. Jeweils vier dieser Strangabschnitte können in unterschiedlicher Weise kombiniert werden, um ein G4 Isomer auszubilden. In jedem dieser so zustande gekommenen G4 verbleibt ein (oder mehrere) G-reicher Strangabschnitt, der im konkreten Isomer nicht zur Faltung verwendet wird. Diese zusätzlichen G-Stränge werden daher auch Ersatzräder (engl. spare-tires) genannt; man erhält spare-tire Isomere.
Obwohl diese Formen des Polymorphismus, deren biologischer Kontext und die biophysikalischen Konsequenzen in Arbeiten von C. Burrows (2015) und A. Mittermaier (2016) erstmals umfassend beschrieben wurden, gab es bis zum Ausgangspunkt dieser Arbeit keine Kenntnisse über deren strukturelle Dynamik, den Faltungswegen und den zugrundeliegenden molekularen Mechanismen. Zeitaufgelöste Kernspinresonanz (engl. nuclear magnetic resonance, NMR) Spektroskopie ist eine bestens geeignete Methode, um die Dynamik von Biomakromolekülen mit atomarer Auflösung zu studieren. Um solche Experimente durchführen zu können, braucht es geeignete Herangehensweisen für die Präparation eines Nicht-Gleichgewichtszustands. In dieser Arbeit wird eine neu erarbeitete Strategie vorgestellt, die es erlaubt, Einblick in die Faltungs- und Umfaltungskinetiken eines dynamischen Konformations-Ensembles nicht-konventioneller Strukturisomere der cMYC G4 DNA-Sequenz zu erhalten.
Hierzu wurden photolabile Schutzgruppen (engl. Photocages) positionsspezifisch an bestimmten G-Nukleobasen (O6-(R)-NPE) angebracht. Die Schutzgruppen blockieren die Basenpaar-Interaktionen des Nukleotids, wodurch dieses sich nicht mehr an einer Tetradenbildung beteiligen kann. Die Photocages wurden jeweils an den Nukleotiden eingeführt, die nur in jeweils einem der G-Register Isomere an der Tetradenbildung beteiligt sind. Durch diese gezielte Destabilisierung konnten die Isomere getrennt und im gefalteten Zustand isoliert werden. Die so erhaltenen Konformationen wurden umfassend spektroskopisch charakterisiert. Der Ansatz, das konformationelle Gleichgewicht durch Photocages transient zu stören, wurde daraufhin weiterentwickelt. Mehrere Photocages wurden an Nukleobasen in zentraler Position einzelner G-Strangabschnitte angebracht. Dadurch konnte eine ausreichende Destabilisierung erreicht werden, die die Faltung jedweder G4 Strukturen unterbindet. Somit wurde ein ungefalteter Zustand erzeugt, der unter ansonsten frei wählbaren, physiologischen Bedingungen besteht. Durch in situ Photolyse der Schutzgruppen konnte so die Licht-induzierte G4 Faltung unter konstanten Puffer- und Temperaturbedingungen untersucht werden. Dieser Ansatz wurde auf die Untersuchung der Faltungswege, die zu verschiedenen spare-tire Isomeren führen, fokussiert.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass es insgesamt erstmalig gelungen ist, die Kinetiken der wesentlichen Faltungs- und Umfaltungswege entlang der konformationellen Energielandschaft des cMYC G4 Elements zu untersuchen. Das komplexe, dynamische Zusammenspiel aller relevanten, nicht-konventionellen isomeren G4 Strukturen konnte entworren und umfassend experimentell beschrieben werden. Der dafür weiterentwickelte Ansatz über konformationelle Selektion mit Hilfe photolabiler Schutzgruppen hat dabei experimentelle Einblicke erlaubt, die bislang nicht zugänglich waren. Die Strukturen und Faltungszustämde, die mit den chemisch modifizierten Oligonukleotiden erhalten und isoliert wurden, sind umfassend spektroskopisch untersucht worden. Die Anwendung verschiedener spektroskopischer Ansätze und deren Kombination mit weiteren biophysikalischen Methoden hat eine Methoden-unabhängige Validierung der erhaltenen kinetischen und thermodynamischen Daten ermöglicht.
In der vorgelegten kumulativen Arbeit wurden strukturelle und funktionale Untersuchungen an Nukleinsäuren durchgeführt, hauptsächlich, aber nicht ausschließlich unter Verwendung von NMR-Spektroskopie (Kernspin Resonanzspektroskopie) als Analysemethode. Die untersuchten Biomoleküle umfassten kleinere und größere biologisch relevante RNAs sowie einen artifiziellen DNA G-Quadruplex. Hierbei konnten Ergebnisse im Bereich der Bestimmung der molekularen Struktur, der Aufklärung der biologischen Funktion und der Wirkstoffentwicklung gewonnen werden, die in sechs verschiedenen Publikationen dargelegt sind, an deren Erstellung der Autor maßgeblich oder hauptverantwortlich beteiligt war. Des Weiteren wird in einem mehrgliedrigen Einleitungssegment auf den Stand der aktuellen Forschung in den jeweiligen Teilgebieten eingegangen.
NMR spectroscopy is a potent method for the structural and biophysical characterization of RNAs. The application of NMR spectroscopy is restricted in RNA size and most often requires isotope‐labeled or even selectively labeled RNAs. Additionally, new NMR pulse sequences, such as the heteronuclear‐detected NMR experiments, are introduced. We herein provide detailed protocols for the preparation of isotope‐labeled RNA for NMR spectroscopy via in vitro transcription. This protocol covers all steps, from the preparation of DNA template to the transcription of milligram RNA quantities. Moreover, we present a protocol for a chemo‐enzymatic approach to introduce a single modified nucleotide at any position of any RNA. Regarding NMR methodology, we share protocols for the implementation of a suite of heteronuclear‐detected NMR experiments including 13C‐detected experiments for ribose assignment and amino groups, the CN‐spin filter heteronuclear single quantum coherence (HSQC) for imino groups and the 15N‐detected band‐selective excitation short transient transverse‐relaxation‐optimized spectroscopy (BEST‐TROSY) experiment.
Basic Protocol 1: Preparation of isotope‐labeled RNA samples with in vitro transcription using T7 RNAP, DEAE chromatography, and RP‐HPLC purification
Alternate Protocol 1: Purification of isotope‐labeled RNA from in vitro transcription with preparative PAGE
Alternate Protocol 2: Purification of isotope‐labeled RNA samples from in vitro transcription via centrifugal concentration
Support Protocol 1: Preparation of DNA template from plasmid
Support Protocol 2: Preparation of PCR DNA as template
Support Protocol 3: Preparation of T7 RNA Polymerase (T7 RNAP)
Support Protocol 4: Preparation of yeast inorganic pyrophosphatase (YIPP)
Basic Protocol 2: Preparation of site‐specific labeled RNAs using a chemo‐enzymatic synthesis
Support Protocol 5: Synthesis of modified nucleoside 3′,5′‐bisphosphates
Support Protocol 6: Preparation of T4 RNA Ligase 2
Support Protocol 7: Setup of NMR spectrometer for heteronuclear‐detected NMR experiments
Support Protocol 8: IPAP and DIPAP for homonuclear decoupling
Basic Protocol 3: 13C‐detected 3D (H)CC‐TOCSY, (H)CPC, and (H)CPC‐CCH‐TOCSY experiments for ribose assignment
Basic Protocol 4: 13C‐detected 2D CN‐spin filter HSQC experiment
Basic Protocol 5: 13C‐detected C(N)H‐HDQC experiment for the detection of amino groups
Support Protocol 9: 13C‐detected CN‐HSQC experiment for amino groups
Basic Protocol 6: 13C‐detected “amino”‐NOESY experiment
Basic Protocol 7: 15N‐detected BEST‐TROSY experiment
Cell-free expression represents an attractive method to produce large quantities of selectively labeled protein for NMR applications. Here, cell-free expression was used to label specific regions of the growth hormone secretagogue receptor (GHSR) with NMR-active isotopes. The GHSR is a member of the class A family of G protein-coupled receptors. A cell-free expression system was established to produce the GHSR in the precipitated form. The solubilized receptor was refolded in vitro and reconstituted into DMPC lipid membranes. Methionines, arginines, and histidines were chosen for 13C-labeling as they are representative for the transmembrane domains, the loops and flanking regions of the transmembrane α-helices, and the C-terminus of the receptor, respectively. The dynamics of the isotopically labeled residues was characterized by solid-state NMR measuring motionally averaged 1H-13C dipolar couplings, which were converted into molecular order parameters. Separated local field DIPSHIFT experiments under magic-angle spinning conditions using either varying cross polarization contact times or direct excitation provided order parameters for these residues showing that the C-terminus was the segment with the highest motional amplitude. The loop regions and helix ends as well as the transmembrane regions of the GHSR represent relatively rigid segments in the overall very flexible receptor molecule. Although no site resolution could be achieved in the experiments, the previously reported highly dynamic character of the receptor concluded from uniformly 13C labeled receptor samples could be further specified by this segmental labeling approach, leading to a more diversified understanding. of the receptor dynamics under equilibrium conditions
Although often depicted as rigid structures, proteins are highly dynamic systems, whose motions are essential to their functions. Despite this, it is difficult to investigate protein dynamics due to the rapid timescale at which they sample their conformational space, leading most NMR-determined structures to represent only an averaged snapshot of the dynamic picture. While NMR relaxation measurements can help to determine local dynamics, it is difficult to detect translational or concerted motion, and only recently have significant advances been made to make it possible to acquire a more holistic representation of the dynamics and structural landscapes of proteins. Here, we briefly revisit our most recent progress in the theory and use of exact nuclear Overhauser enhancements (eNOEs) for the calculation of structural ensembles that describe their conformational space. New developments are primarily targeted at increasing the number and improving the quality of extracted eNOE distance restraints, such that the multi-state structure calculation can be applied to proteins of higher molecular weights. We then review the implications of the exact NOE to the protein dynamics and function of cyclophilin A and the WW domain of Pin1, and finally discuss our current research and future directions.
In this thesis the three dimensional solution strucutre of the RbfA protein from Thermotoga maritima was solved using multidimensional heteronuclear NMR spectroscopy. The RbfA protein binds to the helix I region of the 16S rRNA. To gain insights into the binding mode of RbfA to its target, a second RbfA construct from Helicobacter pylori was used. Comparison of the RbfA proteins with the published structure of RbfA from Escherichia coli, led to studies concerning the differences between proteins from thermophile and mesophile systems. In the second part of this thesis the native binding motive of the RbfA protein was identified. The RbfA protein binds to an alternate helix fold within the pre-sequence of the immature 16S rRNA.