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Riboswitches are an important class of regulatory RNA elements that respond to cellular metabolite concentrations to regulate gene expression in a highly selective manner. 2’-deoxyguanosine-sensing (2’dG) riboswitches represent a unique riboswitch subclass only found in the bacterium Mesoplasma florum and are closely related to adenine- and guanine-sensing riboswitches. The I-A type 2’dG-sensing riboswitch represses the expression of ribonucleotide reductase genes at high cellular concentrations of 2’dG as a result of premature transcription termination.
Increasing evidence within the last decade suggests that transcriptional regulation by riboswitches is controlled kinetically and emphasizes the importance of co-transcriptional folding.2–4 Addition of single nucleotides to nascent transcripts causes a continuous shift in structural equilibrium, where refolding rates are competing with the rate of transcription.5,6
For transcriptional riboswitches, both ligand binding and structural rearrangements within the expression platform are precisely coordinated in time with the rate of transcription. The current thesis investigates the mechanistic details of transcriptional riboswitch regulation using the I-A 2’dG-sensing riboswitch as an example for a riboswitch that acts under kinetic control.
Biophysical studies of the translation-regulating add adenine riboswitch from Vibrio vulnificus
(2017)
Bacterial gene expression can be regulated at mRNA level by cis-acting mRNA elements termed riboswitches. Riboswitches operate by conformational switching between a ligand-free and a ligand-bound state with different structures that either activate or inhibit gene expression. This PhD thesis contributes to the molecular level understanding of full-length purine riboswitches. It presents biophysical investigations on the ligand-dependent folding of the full-length translation-regulating add adenine riboswitch from the gram-negative human pathogenic marine bacterium Vibrio vulnificus (Asw). Asw has the typical bipartite riboswitch architecture with a 5’ ligand-sensing aptamer domain and a 3’ regulatory domain termed expression platform. According to the working hypothesis, Asw employs a unique thermodynamically-controlled 3-state conformational switching mechanism between an apoB, an apoA and a holo conformation to regulate translation initiation in a temperature-compensated manner. The two apo conformations are the putative translation-OFF states and the holo conformation is the putative translation-ON state of Asw. In the main project of this PhD thesis, an integrated nuclear magnetic resonance (NMR) and smFRET spectroscopic study of the full-length 112-nucleotide Asw (112Asw) was performed. The adenine-dependent folding of 112Asw was monitored at the level of base pairing interactions by NMR of the RNA imino protons, and at the level of three long-range intramolecular distances by smFRET of immobilized molecules. The integrated NMR and smFRET spectroscopic study of 112Asw yielded two major findings. First, NMR and smFRET both revealed that adenine binding to 112Asw impedes apoB formation by stabilizing the apoA secondary structure in the holo conformation without modulating tertiary structural interactions between the two riboswitch domains. This highlights the central role of competitive P1 and P4 helix formation at the interface of the aptamer and the expression platform for switching the accessibility of the ribosome binding site of 112Asw. Moreover, it strongly corroborates the hypothesis that purine riboswitches in general operate according to the key principle of a spatially decoupled secondary structural allosteric switch that proceeds without ligand-induced tertiary structural interactions between the aptamer domain and the expression platform. Second, it was uncovered by smFRET that the apoA and the holo conformation of 112Asw do not adopt a single folding state at near-physiological Mg2+ concentration. Instead, apoA and holo exhibit a persistent dynamic equilibrium between substates with an undocked (U), a short-lived docked (D1; ~s) and a Mg2+-bound long-lived docked (D2; ~10 s) aptamer kissing loop motif. In the holo conformation, the fractional population of the long-lived docked substate is ~2-fold increased compared to the apoA conformation, but undocked and docked substates are still comparably stable. The here described multiple folding states of the apoA and the holo conformation might have regulatory properties that are in between the apoB translation-OFF state and the holo-D2 translation-ON state. Additonally, an integrated NMR and smFRET analysis of 127-nucleotide Asw (127Asw) is presented. Compared to 112Asw, 127Asw is 3’-elongated by 15 nucleotides of the adenosine deaminase encoding sequence of the add gene from Vibrio vulnificus. 127Asw was chosen as mRNA template for future investigations of the interaction between Asw and the 30S ribosomal subunit. The NMR spectra of 127Asw demonstrated that 127Asw has the same overall secondary structure as 112Asw. Like for 112Asw, the combined NMR and smFRET analysis of 127Asw showed that adenine binding impedes apoB formation and stabilizes a long-lived docked aptamer kissing loop fold. However, compared to 112Asw, 127Asw has a destabilized aptamer kissing loop motif and a stabilized P4 helix in the expression platform. Finally, ligand-observed studies of the transient encounter complex between Asw and the near-cognate ligand hypoxanthine are described. By competition binding WaterLOGSY NMR experiments with hypoxanthine and the adenine analogue 2,6-diaminopurine, it could be shown that hypoxanthine binds to the same binding site of 112Asw as the cognate ligand adenine. The hypoxanthine binding constant measured with the WaterLOGSY method is in the low mM range (1.8 mM) and substantially exceeds the physiological hypoxanthine concentration in E. coli (~0.3 mM), thus ruling out that hypoxanthine binding can significantly impact the translational regulation of Asw in vivo. Also, preliminary FTIR difference spectra of 13C,15N-labelled and unlabelled hypoxanthine in complex with the pbuE adenine riboswitch aptamer and the xpt guanine riboswitch aptamer are discussed. These spectra showed a pattern of multiple IR bands that appeared to be characteristic for the respective complex.
Photolabile Schutzgruppen haben sich im Laufe der letzten Jahre als wertvolle Werkzeuge für die Untersuchung und Regulation biologischer Prozesse etabliert. Dabei wird die photolabile Schutzgruppe auf geeignete Weise mit Biomolekülen verknüpft, sodass deren Funktion temporär deaktiviert wird. Durch Bestrahlen mit Licht geeigneter Wellenlängen wird die photolabile Schutzgruppe entfernt und die Aktivität des Biomoleküls bzw. des zu beobachtenden Prozesses wiederhergestellt. Die Grundlagen der Verwendung photolabiler Schutzgruppen im biologischen Kontext wurden in zwei Pionierarbeiten 1977 von J.W. ENGELS und 1978 von J.F. HOFFMAN gelegt. Davon ausgehend haben sich zahlreiche Anwendungen photolabiler Schutzgruppen für biologisch interessante Molekülklassen entwickelt. Auf dem speziellen Gebiet der Nukleinsäuren wurden in den letzten Jahren einige fundamentale Mechanismen entdeckt und aufgeklärt, die nicht zuletzt auch therapeutisch interessante Anwendungsmöglichkeiten für photolabile Schutzgruppen bieten. Hierbei stellt das An-/Aus-Schaltverhalten von Nukleinsäuren jedoch ein nicht-triviales Problem dar. Selbst der gezielte Einbau einer einzelnen photolabilen Schutzgruppe in ein multifunktionales Oligonukleotid führt in der Regel nämlich nicht zu einer vollständigen Deaktivierung dessen. Ein multipler Einbau photolabiler Schutzgruppen entlang der Sequenz eines funktionellen Oligonukleotids schaltet die Hintergrundaktivität im deaktivierten Zustand zwar vollständig aus, allerdings müssen in diesem Fall hohe Bestrahlungsintensitäten bzw. –dauern für das Entfernen aller photolabilen Modifikationen angewendet werden. Dadurch geht zum einen die Zeitauflösung der lichtgeschalteten Prozesse verloren, nicht zuletzt erhöht sich dabei aber auch das Risiko von lichtinduzierten Schäden am biologischen System. Das Kernthema der vorliegenden Dissertation war es daher, neue Architekturen für den Aufbau photoaktivierbarer Oligonukleotide zu entwickeln.
Das erste große Projekt basierte auf der Annahme, dass sich Duplexstrukturen, die für die Funktion vieler Nukleinsäuremechanismen fundamental sind, durch Zyklisierung von Oligonukleotiden global destabilisieren und damit effizienter photoaktivieren lassen, als durch lokalen Einbau einzelner photolabiler Schutzgruppen in Oligonukleotide. Hierzu wurden geeignete Alkin-Modifikationen an photolabile Nitrobenzyl- und Cumarin-Schutzgruppen angebracht und diese an die Nukleobasen verschiedener DNA-Bausteine geknüpft. Es ist daraufhin gelungen, Oligonukleotide mit je zwei photolabilen Alkin-Modifikationen herzustellen und diese intrasequentiell über eine Cu(I)-katalysierte Click-Reaktion mit einem Bisazid-Linker zu zyklisieren. Die so erhaltenen Oligonukleotide wiesen dramatisch erniedrigte Schmelzpunkte gegenüber den nativen Duplexen, sowie gegenüber den zweifach photolabil geschützten Oligonukleotiden auf. Dabei wurde außerdem festgestellt, dass Zyklisierungsparameter wie die Linkerlänge, -polarität und –flexibilität und die Wahl der photolabilen Schutzgruppe keinen signifikanten Einfluss auf die Duplexstabilität hat. Über einen Bereich von Ringgrößen zwischen ca. 11-21 Nukleotiden wurden die niedrigsten Duplexstabilitäten beobachtet. Sehr kleine, sowie große Ringe ab 30 Nukleotiden wiesen dagegen höhere Stabilität auf.
Da mit dem entwickelten Zyklisierungskonzept auch mehrere Ringstrukturen innerhalb einer Oligonukleotidsequenz aufgebaut werden können, wurde im nächsten Schritt eine photoaktivierbare Variante des C10-Aptamers hergestellt, welches selektiv gegen Burkitt’s Lymphomzellen bindet. Dieses 90-mer DNA-Oligonukleotid wurde an drei Stellen photolabil Alkin-modifiziert und infolge mit einem Trisazid-Linker zu einer bizyklisierten Struktur verknotet. Mit Hilfe von Fluoreszenzmikroskopie-Experimenten konnte demonstriert werden, dass das durch eine solche „Photo-Klammer“ deaktivierte C10-Aptamer keine Bindungsaffinität gegenüber Burkitt’s Lymphomzellen aufweist, die Bindungsaktivität jedoch nach Belichten wiederhergestellt werden kann. Mit Atomkraftmikroskopie-Experimenten ist es darüber hinaus gelungen, die Photoaktivierung des verknäuelten C10-Aptamers mit molekularer Auflösung abzubilden. Mit diesem Ergebnis können nun lange funktionelle Oligonukleotide auf definierte Weise photoaktivierbar gestaltet werden, insbesondere auch dann, wenn keine (Informationen über) funktionelle Sekundärstrukturen existieren.
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