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The synergetic effects of combining structural biology and epr spectroscopy on membrane proteins
(2017)
Protein structures as provided by structural biology such as X-ray crystallography, cryo-electron microscopy and NMR spectroscopy are key elements to understand the function of a protein on the molecular level. Nonetheless, they might be error-prone due to crystallization artifacts or, in particular in case of membrane-imbedded proteins, a mostly artificial environment. In this review, we will introduce different EPR spectroscopy methods as powerful tools to complement and validate structural data gaining insights in the dynamics of proteins and protein complexes such that functional cycles can be derived. We will highlight the use of EPR spectroscopy on membrane-embedded proteins and protein complexes ranging from receptors to secondary active transporters as structural information is still limited in this field and the lipid environment is a particular challenge.
TEMPO spin labels protected with 2-nitrobenzyloxymethyl groups were attached to the amino residues of three different nucleosides: deoxycytidine, deoxyadenosine, and adenosine. The corresponding phosphoramidites could be incorporated by unmodified standard procedures into four different self-complementary DNA and two RNA oligonucleotides. After photochemical removal of the protective group, elimination of formic aldehyde and spontaneous air oxidation, the nitroxide radicals were regenerated in high yield. The resulting spin-labeled palindromic duplexes could be directly investigated by PELDOR spectroscopy without further purification steps. Spin–spin distances measured by PELDOR correspond well to the values obtained from molecular models.
Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde eine wirksame synthetische und spektroskopische Methode entwickelt, um Abstände in DNA- und RNA-Duplexen mittels Elektronen-Paramagnetische-Resonanz (EPR) zu messen und um in Zukunft die dreidimensionale Struktur biologisch relevanter RNAs bestimmen zu können. Die Synthese von iodierten Nukleotid-Bausteinen für die Oligonukleotidsynthese, an denen mit Hilfe der Palladium katalysierten Sonogashira-Kreuzkupplung sich EPR-aktive Nitroxid-Acetylene einführen lassen, wurde erfolgreich durchgeführt. Diese Phosphoramidite sollten die folgenden Kriterien erfüllen: Alle vier Basen (A, C, G und U) sollten modifiziert werden und das eingeführte Spinlabel 2,2,5,5- Tetramethyl-3-ethinyl-pyrrolin-N-oxyl (TPA) sollte entweder in die minor oder die major groove hineinragen. Im Falle der Pyrimidine (U und C) war nur die Orientierung in die major groove möglich, da das Iodid nur am C5 eingeführt werden kann. Obwohl 5-Iodo-desoxyuridin- und 5-Iodo-uridin-phosphoramidit käuflich sind, wurden diese Bausteine selber hergestellt, wobei die iodierten Bausteine mit hohen Ausbeuten erhalten wurden. Die Synthese von 5-Iodo-cytidin erfolgte aus Cytidin, insbesondere durch die Iodierung mit Iod, Iodsäure in Essigsäure und Tetrachlorkohlenstoff. Die einzige Möglichkeit, dass das Nitroxid eine Orientierung innerhalb der minor groove annimmt, war die Derivatisierung am C2 der Purine. Der Austausch von Iodo gegen eine Aminofunktion für Guanosin war wegen des Verschwindens einer potentiellen Wasserstoffbrücke ungünstig, im Gegensatz zu Adenosin. Die Synthese von 2-Iodo-adenosin-phosphoramidit wurde durchgeführt, wobei die Amino-Gruppe am C2 eines modifizierten Guanosins durch Iod mittels einer radikalischen Reaktion mit Iod, Iodmethan und Kupferiodid substituiert wurde. Die Synthese von 7-Deaza-adenosin (7-Iodo-tubercidin) und von 7-Deaza-guanosin wurde durch eine Lewissäure katalysierte Vorbrüggen-Glykosylierung zwischen der geschützen Nukleobase und der acetylierten Ribofuranose erzielt. Die Iodierung erfolgte für das geschützte Tubercidin mit N-Iodsuccinimid, während sie für Guanosin trotz zahlreicher Versuche leider scheiterte. Da natürlich vorkommende DNA und RNA nicht paramagnetisch sind, müssen sie durch die Einführung eines Spinlabels EPR-fähig gemacht werden. Dafür wurde das Spinlabel TPA ausgewählt, da es sich mit einer hohen Stabilität und Starrheit auszeichnet. Dafür wurde zuerst die Palladium(II) katalysierte Sonogashira-Kupplung in DNA-Strängen wärend der Oligonukleotidsynthese für 5-Iodo-desoxy-uridin optimiert: Sehr reine Proben mit einem oder zwei Spinlabels in einem Strang konnten hergestellt werden. Diese Methode wurde anschließend erfolgreich auf RNA mit geringfügigen Änderungen für U, C und A übertragen, um die Ausbeute der Kupplung zu verbessern. Die benutzte Chemie hat sich als entscheidend erwiesen, da es zu berücksichtigen gilt, wie sich die Reagenzien, die bei der RNA-Festphasensynthese eingesetzt werden, auf das Spinlabel auswirken. Es wurde festgestellt, dass die Oxidationsstufe des klassischen TBDMS-Festphasenzyklus mit Iod, Pyridin und Wasser für die Reduktion eines beträchtlichen Teils des Nitroxids verantwortlich ist, insbesondere im Falle von 2-Iodo-adenosin. Deshalb wurde beschlossen, die patentierte ACE-Chemie zu verwenden, in der das Phosphor-Atom während des Festphasenzyklus mit tert-Butylperoxid in Toluol oxidiert wird. Die Synthese der geeigneten Bausteine wurde hierfür durchgeführt, 5-Iodo-uridin-phosphoramidit ist bei Dharmacon kommerziell erhältlich. Leider scheiterte die Synthese von 7-Iodo-tubercidin-phosphoramidit auf der Stufe der Einführung des Orthoesters. Auf diese Weise wurden sehr reine doppelgelabelte DNA und RNA Duplexe erhalten, deren Stabilität durch UV-Spektroskopie überprüft wurde. Der Unterschied in den Tm-Werten überstieg nicht 3,2°C für DNA und 5,1°C für RNA im Vergleich zu den unmodifizierten Duplexen. CD-Spektren wurden ebenso aufgenommen und zeigten, dass die B- bzw. A-Form erhalten blieb. In Zusammenarbeit mit dem Arbeitskreis Prisner wurden die Abstände zwischen den zwei Nitroxiden in den synthetisierten fünf DNA- und sechs RNA-Duplexen mit Puls-Elektron-Doppel-Resonanz (PELDOR) gemessen. Diese experimentellen Werte wurden mit den theoretischen Werten verglichen, die mit Molecular Dynamics Simulationen erhalten wurden (Arbeitskreis Stock). Die mit beiden Methoden erhaltenen Ergebnisse stimmen überein. Erfolgreich wurde auch die Synthese von reinen spingelabelten biologisch relevanten RNAs wie TAR-RNA, der vier-Wege Kreuzung IIIa,b,c des Hepatitis C Virus und dem U4-U6 Komplex des Spleißosoms im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt. Die größte synthetisierte RNA betrug 65 Nukleobasen. Leider konnten wegen zu hoher Flexibilität oder nicht richtiger Faltung der RNA keine definierten Abstände gefunden werden.
This thesis demonstrates the advancement of PELDOR spectroscopy beyond its original design of distance measurements in order to disentangle a maximum amount of information additionally encoded in the PELDOR data. In particular, the successful synthesis of novel polynitroxide radicals is described as well as the extraction of the relative orientation of spin labels, conformational flexibility and the separation of dipolar and exchange coupling via orientation selective PELDOR measurements in combination with PESIM based simulations. Moreover, the method of PELDOR "Spin Counting" was experimentally validated.
The tetracycline-binding RNA aptamer (TC-aptamer) is a synthetic riboswitch that binds the antibiotic tetracycline (TC) with exceptionally high affinity. Although a crystal structure exists of the TC-bound state, little is known about the conformational dynamics and changes upon ligand binding. In this study, pulsed electron paramagnetic resonance techniques for measuring distances (PELDOR) in combination with rigid nitroxide spin labels (Çm spin label) were used to investigate the conformational flexibility of the TC-aptamer in the presence and absence of TC at different Mg2+ concentrations. TC was found to be the essential factor for stabilizing the tertiary structure at intermediate Mg2+ concentrations. At higher Mg2+ concentrations, Mg2+ alone is sufficient to stabilize the tertiary structure. In addition, the orientation of the two spin-labeled RNA helices with respect to each other was analyzed with orientation-selective PELDOR and compared to the crystal structure. These results demonstrate for the first time the unique value of the Çm spin label in combination with PELDOR to provide information about conformational flexibilities and orientations of secondary structure elements of biologically relevant RNAs.
Die Lebensfunktion der Zelle beruht unter anderem auf der Funktion und Wechselwirkung der Nukleinsäuren DNA (2’-Desoxyribonukleinsäure) und RNA (Ribonukleinsäure). Mit Hilfe von PDS (engl. ’pulsed dipolare spectroscopy’)-Techniken, basierend auf der EPR (engl. ’electron paramagnetic resonance’)-Spektroskopie, können Abstände in einem Bereich von 2-10 nm zwischen zwei markierten Positionen einer Nukleinsäure bestimmt werden. Daneben kann mit der Abstandsverteilung auf die Flexibilität des Moleküls geschlossen werden. Durch PDS-Messungen eröffnet sich die Möglichkeit, Bewegungen und Zustandsänderungen zu untersuchen. Die Messungen beruhen auf der dipolaren Kopplung von Radikalen (Spinlabel). Da die gemessenen dipolaren Kopplungen eine anisotrope Wechselwirkung sind, können an starren Systemen neben den Abstandsinformationen auch die Orientierungen der beiden Spinlabel zueinander bestimmt werden. Diese zusätzliche Information ermöglicht es, mittels orientierungsselektiver PDS-Messungen noch genauer die Geometrie und Flexibilität des Systems zu untersuchen. Klassischerweise werden alle Messungen mit der Doppelfrequenztechnik PELDOR (engl. ’pulsed electron-electron double resonance’) durchgeführt. Einzelfrequenzmethoden basieren dagegen auf Breitbandanregung, die mit den technischen Gegebenheiten l nge nicht möglich war. Eine solche Sequenz ist 2D-SIFTER.ImmRahmen dieser Arbeit von PELDOR ausgehende, weiterentwickelte Simulationsprozedur etabliert. Eine große Herausforderung ist die eindeutige Interpretation der sensitiven orientierungsselektiven PELDOR-Messungen. Sie mittels MD (Moleküldynamik)-Simulationen zu beschreiben war bisher nur qualitativ möglich. Allerdings wurden mehrere neue Kraftfelder publiziert. Mit einem quantitativen Vergleich mit orientierungsselektiven PELDOR-Daten kann sichergestellt werden, dass die Flexibilität des Systems durch Kraftfelder richtig beschrieben ist. PELDOR-Zeitspuren, gemessen bei Raumtemperatur und 50 K, unterscheiden sich besonders in ihrer Dämpfung. Der physikalische Unterschied beider Messungen konnte durch MD-Simulationen qualitativ nachvollzogen worden. Eine Schwierigkeit für speziell orientierungsselektive PELDOR-Messungen ist die aufwendige Synthese von mit dem starren Ç-Label markierten Nukleinsäuren. Als Alternative wurde in der Sigurdsson-Gruppe das halbstarre IMU-Label entwickelt. Die Analyse der orientierungsselektiven Daten ergab ein klares Bild der Dynamik dieses Labels. Ein weiterer interessanter Spinlabel ist der `G. Dieser Label ist nicht kovalent gebunden, sondern interkaliert in eine Stelle der Nukleinsäure, in der eine Guanin- Base fehlt. MD-Simulationen im quantitativen Vergleich mit orientierungsselektiven PELDOR-Messungen an verschiedenen Magnetfeldern haben eine hohe Übereinstimmung. Dabei konnte gezeigt werden, dass der Label, interkaliert in eine dsDNA, flippen kann, was zu einer Ausmittelung der Anisotropie führt, allerdings zu keiner Verbreiterung der Abstandsverteilung. Dagegen wird in der dsRNA dieses Flippen um die Einfachbindung sterisch gehindert, so dass neben dem Abstand auch die Orientierung des Labels bestimmt werden kann. Kurze dsRNA-Bausteine tendieren dazu, Oligomere zu bilden, was zu Multispineffekten führte. Zusätzlich beeinflusst diese Aggregation die Dynamik der einzelnen RNAs. Daher musste dieses ’end-to-end’-Stacking verhindert werden. Eine Nukleobasean einem Ende der dsRNA führt zu einer Dimerisierung, während eine Nukleobase an beiden Seiten dieses Stacking vollständig verhindert. Messungen mit unterschiedlichen Salzkonzentrationen konnten zusätzlich zeigen, dass die Interaktion zweier dsRNAs bei höheren Salzkonzentrationen zunimmt.