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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
Um sich an ändernde Umwelteinflüsse und metabolische Bedürfnisse anpassen zu können, ist es für Zellen essenziell, dass Boten-RNA (engl. messenger RNA, mRNA) stetig und schnell nach der Translation abgebaut wird. In Prokaryoten ist dafür der Proteinkomplex Degradosom verantwortlich, in dem Endo- und Exoribonukleasen RNase E und PNPase das RNA-Transkript in kleinere Fragmente und schließlich einzelne Nukleotide spalten. Die DEAD-Box Helikase RhlB im Komplex dient zusätzlich dazu, mögliche Sekundärstrukturen in der RNA zu entfalten, welche sonst die weitere Degradation behindern würden. Es konnte gezeigt werden, dass RhlB’s sehr geringe katalytische Aktivität – gemessen durch ATP-Verbrauch und Rate an entwundener RNA – signifikant durch die allosterische Bindung an Komplexpartner RNase E erhöht wird. Gleichzeitig deuten andere Studien darauf hin, dass RhlB eine mögliche Selektivität für doppelsträngige RNA-Substrate mit 5‘-Einzelstrang-Überhängen aufweist.
Diese Arbeit liefert neue Erkenntnisse in Bezug auf die Kommunikation zwischen den Degradosom-Komponenten RhlB und RNase E aus E. coli, indem das potenzielle Wechselspiel zwischen RhlBs RNA-Selektivität und der allosterischen Aktivierung durch RNase E untersucht wurde. Der vielseitige Einsatz NMR-spektroskopischer Techniken sowie die Verwendung kurzer RNA-Substrate mit spezifischen Strang-Eigenschaften ermöglicht es, mit einen ungewöhnlichen, RNA-zentrierten Ansatz an diese unzureichend verstandene Protein-Interaktion heranzugehen.
Zunächst wurden hierzu eine Reihe kurzer doppelsträngiger RNA-Konstrukte hergestellt, die sich nicht nur in ihren Einzelstrang-Merkmalen unterscheiden, sondern auch die thermodynamischen Anforderungen eines DEAD-Box Helikase Substrats erfüllen, und gleichzeitig eine ausreichende NMR-spektroskopische Signal-Zuordnung erlauben. Die thermale Stabilität, das Faltungsverhalten sowie die 1H Imino-protonen- und 13C HSQC-Zuordnungen aller geeigneten Konstrukte wurden erfolgreich bestimmt.
Um den Einfluss spezifischer RNA-Substrate sowie die Bindung zweier verschiedener RNase E Fragmente auf RhlBs ATP-Umsatzrate zu untersuchen, wurde sich zunächst eines photometrischen Phosphat-Assays bedient. Damit konnte deutlich gezeigt werden, dass RhlB in Abwesenheit des Komplex-Partners nicht in der Lage ist, signifikante Mengen an ATP umzusetzen, unabhängig davon, welches RNA-Konstrukt eingesetzt wird. Die Bindung der RNase E Fragmente erhöhte signifikant die ATP-Hydrolyse-Rate der Helikase, wobei die größte Aktivierung für den RNA-Duplex mit 5‘-Einzelstrang sowie ein einzelsträngiges Substrat zu beobachten ist. Da diese Ergebnisse deutlich eine RNA-Abhängigkeit beim ATP-Umsatz der Helikase zeigen, wurde untersucht, ob diese Unterschiede ihren Ursprung bereits in der Bindung der spezifischen RNA-Substrate haben. Mittels einer Mischapparatur, die es erlaubt die enzymatische Reaktion direkt im Spektrometer zu initiieren sowie zeitaufgelöster 31P NMR-Experimente konnte die allosterische Aktivierung der ATP-Hydrolyse-Rate von RhlB auch unter NMR-spektroskopischen Messbedingungen nachgewiesen werden.
Da die Ergebnisse des ATPase Assays deutlich eine RNA-Abhängigkeit bei der ATP-Umsatz-Rate der Helikase zeigen, wurde zusätzlich untersucht, ob diese Unterschiede ihren Ursprung in den Affinitäten für die verschiedenen RNA-Substrate haben und ob diese durch die Bindung von RNase E and RhlB beeinflusst werden. Um im gleichen Zuge zu überprüfen, ob die Bindung der RNA an RhlB die RNA-Konformation oder Basenpaarung ändert, werden 1H NMR-Titrationsexperimente durchgeführt. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass RhlB eine inhärente Präferenz für Duplexe mit 5‘-Überhang gegenüber Konstrukten mit 3‘-Überhang oder stumpfen Enden besitzt, was sich in einer erhöhten Affinität zeigt. Zusätzlich offenbaren die Messungen, dass RNase Es allosterische Bindung selektiv die Affinität gegenüber Konstrukten mit Einzelstrang-Überhang erhöht, während die Affinität zu RNA Duplexen ohne Überhang sogar verringert wird. Diese Ergebnisse liefern erstmals einen Nachweis, dass RNase E aktiv Einfluss auf RhlBs RNA-Bindung nimmt. Weder die Bindung der RNA and RhlB noch an den RhlB/RNase E Komplex scheint die Basenpaarung oder Konformation der RNA-Substrate zu beeinflussen, da lediglich eine homogene Peak-Verbreitung aller Imino-Protonen-Signale im 1H NMR-Spektrum beobachtet werden konnte.
Riboswitches are regulatory RNA elements that undergo functionally important allosteric conformational switching upon binding of specific ligands. The here investigated guanidine-II riboswitch binds the small cation, guanidinium, and forms a kissing loop-loop interaction between its P1 and P2 hairpins. We investigated the structural changes to support previous studies regarding the binding mechanism. Using NMR spectroscopy, we confirmed the structure as observed in crystal structures and we characterized the kissing loop interaction upon addition of Mg2+ and ligand for the riboswitch aptamer from Escherichia coli. We further investigated closely related mutant constructs providing further insight into functional differences between the two (different) hairpins P1 and P2. Formation of intermolecular interactions were probed by small-angle X-ray scattering (SAXS) and NMR DOSY data. All data are consistent and show the formation of oligomeric states of the riboswitch induced by Mg2+ and ligand binding.
SARS-CoV-2 contains a positive single-stranded RNA genome of approximately 30 000 nucleotides. Within this genome, 15 RNA elements were identified as conserved between SARS-CoV and SARS-CoV-2. By nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, we previously determined that these elements fold independently, in line with data from in vivo and ex-vivo structural probing experiments. These elements contain non-base-paired regions that potentially harbor ligand-binding pockets. Here, we performed an NMR-based screening of a poised fragment library of 768 compounds for binding to these RNAs, employing three different 1H-based 1D NMR binding assays. The screening identified common as well as RNA-element specific hits. The results allow selection of the most promising of the 15 RNA elements as putative drug targets. Based on the identified hits, we derive key functional units and groups in ligands for effective targeting of the RNA of SARS-CoV-2.
The impact of the incorporation of a non-natural amino acid (NNAA) on protein structure, dynamics, and ligand binding has not been studied rigorously so far. NNAAs are regularly used to modify proteins post-translationally in vivo and in vitro through click chemistry. Herein, structural characterisation of the impact of the incorporation of azidohomoalanine (AZH) into the model protein domain PDZ3 is examined by means of NMR spectroscopy and X-ray crystallography. The structure and dynamics of the apo state of AZH-modified PDZ3 remain mostly unperturbed. Furthermore, the binding of two PDZ3 binding peptides are unchanged upon incorporation of AZH. The interface of the AZH-modified PDZ3 and an azulene-linked peptide for vibrational energy transfer studies has been mapped by means of chemical shift perturbations and NOEs between the unlabelled azulene-linked peptide and the isotopically labelled protein. Co-crystallisation and soaking failed for the peptide-bound holo complex. NMR spectroscopy, however, allowed determination of the protein-ligand interface. Although the incorporation of AZH was minimally invasive for PDZ3, structural analysis of NNAA-modified proteins through the methodology presented herein should be performed to ensure structural integrity of the studied target.
Polymorphic G-quadruplex (G4) secondary DNA structures have received increasing attention in medicinal chemistry owing to their key involvement in the regulation of the maintenance of genomic stability, telomere length homeostasis and transcription of important proto-oncogenes. Different classes of G4 ligands have been developed for the potential treatment of several human diseases. Among them, the carbazole scaffold with appropriate side chain appendages has attracted much interest for designing G4 ligands. Because of its large and rigid π-conjugation system and ease of functionalization at three different positions, a variety of carbazole derivatives have been synthesized from various natural or synthetic sources for potential applications in G4-based therapeutics and biosensors. Herein, we provide an updated close-up of the literatures on carbazole-based G4 ligands with particular focus given on their detailed binding insights studied by NMR spectroscopy. The structure-activity relationships and the opportunities and challenges of their potential applications as biosensors and therapeutics are also discussed. This review will provide an overall picture of carbazole ligands with remarkable G4 topological preference, fluorescence properties and significant bioactivity; portraying carbazole as a very promising scaffold for assembling G4 ligands with a range of novel functional applications.
Für das Verständnis der Proteinfaltung ist es von Interesse, die phi,psi-Torsionswinkelverteilung und deren Abhängigkeiten innerhalb einer Polypeptidkette zu kennen. Mit der in dieser Arbeit verwendeten Kombination aus MD-Simulation und NMR-Spektroskopie wird die Abhängigkeit der Konformationsverteilung kurzer alaninbasierter Modellpeptide mit einer Genauigkeit von 5 % bestimmt. Die Berechnung der thermischen Populationen der einzelnen Konformationen beruht auf einer Minimierung der Differenz aus experimentellen und berechneten skalaren Kopplungskonstanten. Trialanin populiert überwiegend den Bereich der Polyprolin Typ II Helix (~ 90 %) und daneben den beta-Faltblattbereich mit ca. 10%, jedoch nicht den alphaR-helicalen Bereich. Diese Konformationsverteilung ändert sich nicht signifikant mit zunehmender Kettenlänge in der Peptidreihe Ala3 bis Ala7. Das in der Seitenkette verzweigte Trivalin populiert dagegen alle drei Konformationsbereiche signifikant. Aufgrund der Periodizität der Torsionswinkel populiert Triglycin einen zusammenhängenden Bereich, der sich an den vier Ecken des Ramachandran-Diagramms befindet. Zudem befindet es sich in einem langsamen konformationellen Gleichgewicht zwischen der cis- und trans-Konformation der Peptidbindung. Die Temperaturabhängigkeit der Konformationsverteilung wird am Beispiel von Trialanin untersucht. Die 3J(HN,Ha) Kopplungskonstanten nehmen linear mit der Temperatur zu. Dies ist auf eine Zunahme des beta-Faltblattanteils zurückzuführen und kann theoretisch beschrieben werden. Die Konformationsverteilung der Trialaninsequenz innerhalb einer heteropolymeren Aminosäuresequenz ist von der Kettenlänge der an dem N- und C-Terminus angefügten heteropolymeren Aminosäuresequenz abhängig. Dies wird an zwei Peptiden, abgeleitet von der Sequenz des Proteins Lysozym aus Hühnereiweiß, gezeigt. Das kürzere Peptid hat an beiden Enden jeweils drei Aminosäurereste angefügt, das längere jeweils acht Aminosäurereste. Die Konformationsverteilung der Trialanisequenz des kürzeren Peptids entspricht nahezu der in der Peptidreihe Ala3 bis Ala7. Die Verteilung des längeren Peptids ist dagegen deutlich verschieden (~ 35% alphaR-helicaler Anteil). Die 1HN und 15N chemischen Verschiebungen der Trialaninsequenz des längeren Peptids sind mit denen des entfalteten Lysozym-Proteins identisch und demzufolge aller wahrscheinlichkeit nach auch die Konformationsverteilung. Kurze homopolymere Peptide eignen sich deshalb nicht als Modell für Aminosäuresequenzen in längeren heteropolymeren Peptiden.
The highly infectious disease COVID-19 caused by the Betacoronavirus SARS-CoV-2 poses a severe threat to humanity and demands the redirection of scientific efforts and criteria to organized research projects. The international COVID19-NMR consortium seeks to provide such new approaches by gathering scientific expertise worldwide. In particular, making available viral proteins and RNAs will pave the way to understanding the SARS-CoV-2 molecular components in detail. The research in COVID19-NMR and the resources provided through the consortium are fully disclosed to accelerate access and exploitation. NMR investigations of the viral molecular components are designated to provide the essential basis for further work, including macromolecular interaction studies and high-throughput drug screening. Here, we present the extensive catalog of a holistic SARS-CoV-2 protein preparation approach based on the consortium’s collective efforts. We provide protocols for the large-scale production of more than 80% of all SARS-CoV-2 proteins or essential parts of them. Several of the proteins were produced in more than one laboratory, demonstrating the high interoperability between NMR groups worldwide. For the majority of proteins, we can produce isotope-labeled samples of HSQC-grade. Together with several NMR chemical shift assignments made publicly available on covid19-nmr.com, we here provide highly valuable resources for the production of SARS-CoV-2 proteins in isotope-labeled form.
The RHO gene encodes the G-protein-coupled receptor (GPCR) rhodopsin. Numerous mutations associated with impaired visual cycle have been reported; the G90D mutation leads to a constitutively active mutant form of rhodopsin that causes CSNB disease. We report on the structural investigation of the retinal configuration and conformation in the binding pocket in the dark and light-activated state by solution and MAS-NMR spectroscopy. We found two long-lived dark states for the G90D mutant with the 11-cis retinal bound as Schiff base in both populations. The second minor population in the dark state is attributed to a slight shift in conformation of the covalently bound 11-cis retinal caused by the mutation-induced distortion on the salt bridge formation in the binding pocket. Time-resolved UV/Vis spectroscopy was used to monitor the functional dynamics of the G90D mutant rhodopsin for all relevant time scales of the photocycle. The G90D mutant retains its conformational heterogeneity during the photocycle.
Light‐induced activation of biomolecules by uncaging of photolabile protection groups has found many applications for triggering biochemical reactions with minimal perturbations directly within cells. Such an approach might also offer unique advantages for solid‐state NMR experiments on membrane proteins for initiating reactions within or at the membrane directly within the closed MAS rotor. Herein, we demonstrate that the integral membrane protein E. coli diacylglycerol kinase (DgkA), which catalyzes the phosphorylation of diacylglycerol, can be controlled by light under MAS‐NMR conditions. Uncaging of NPE‐ATP or of lipid substrate NPE‐DOG by in situ illumination triggers its enzymatic activity, which can be monitored by real‐time 31P‐MAS NMR. This proof‐of‐concept illustrates that combining MAS‐NMR with uncaging strategies and illumination methods offers new possibilities for controlling biochemical reactions at or within lipid bilayers.