ARRS PROJECT

Vodja projekta: Dr. Janez Plavec

1. VSEBINSKI OPIS PROJEKTA:

Deoksiribo-Nukleinsko Kislino (DNK) poznamo predvsem kot prenašalko genetskih informacij. To njeno vlogo v živem svetu lahko razložimo z dobro znano strukturo dvojne vijačnice. Zadnjih nekaj desetletji pa se uveljavlja vedenje o zmožnosti DNK, da lahko zavzame veliko število struktur vključno z več-verižnimi vijačnicami, ki so povezane z opravljajem različnih bioloških funkcij od prenosa genetskih informacij do katalize in regulacije. Številna promotorska zaporedja vključujejo z gvanini bogate ponovitve, ki se lahko zvijejo v kvadrupleksne strukture. G-kvadrupleks je štiri-verižna sekundarna struktura, ki jo tvorijo z gvanini bogate nukleinske kisline in pridobiva vse več pozornosti kot tarča za terapevtsko posredovanje. Osnovni gradnik G-kvadrupleksa je G-kvartet, v katerem so štirje gvaninski ostanki povezani z osmimi vodikovimi vezmi v Hoogsteenovi geometriji v koplanarni strukturni element. AGCGA-kvadrupleksi pa so nova strukturna družina, ki smo jo opisali šele nedavno. Pri njih je posebej zanimivo, da se z gvanini bogati trakti pojavijo v zankah in ne v sredici strukture, kot je značilno za G-kvadruplekse. Predlagane raziskave bodo pripomogle k razširitvi in poglobitvi znanja o zvijanju zaporedij DNA, ki so vpletena v regulacijo izražanja (onko)genov in glede na svoja zaporedja lahko tvorijo G- ali AGCGA-kvadruplekse. AGCGA ponovitve so našli v regulacijskih regijah različnih človeških genov, ki so povezani z razvojem možganov in nevrološkimi motnjami, nenormalnimi hrustančnimi in kostnimi tvorbami, rakom kakor tudi z regulacijo osnovnih celičnih procesov. Za razumevanje procesov v naravi je ključno poznavanje odnosa struktura-lastnost, ki v zadnjem času vključuje tudi poznavanje dinamičnih lastnosti molekul, ki ga lahko pridobimo z NMR študijami. V okviru predlaganega projekta načrtujemo študije strukturnih značilnosti z gvanini-bogatih genomskih zaporedij DNA, za katere pričakujemo, da bodo tvorili kvadrupleksne strukture. Osredotočili se bomo predvsem na promotorske regije povezane s proteini, ki so pomembni pri nevroloških motnjah, razvoju kosti in hrustancev in rakavih obolenjih. Nedavne študije so pokazale, da so območja DNA s tandemskimi ponovitvami vpletena v patogenezo različnih bolezni in so zato pomembna tarča pri razvoju zdravil. To vlogo je mogoče pripisati njihovim z gvanini bogatim promotorjem in represorjem, ki se potencialno lahko zvijeta v strukture G- ali AGCGA-kvadrupleksov. Številne ugotovitve potrjujejo hipotezo, da sta lahko tvorba in razvitje G-kvadrupleksnih struktur vpletena v regulacijo izražanja genov. Pretekle študije so pokazale, da so G-kvadrupleksi zelo polimorfni, kar povezujemo s specifiko oligonukleotidnih zaporedij in s pogoji v raztopini. Posebno pozornost bomo posvetili naravi in zaporedju zank, saj je njihova struktura zelo pomembna z vidika interakcije med molekulo DNA in ligandi (potencialnimi učinkovinami). Primarna raziskovalna metoda bo NMR spektroskopija visoke ločljivosti. Načrtujemo, da bomo rezultate dopolnili z UV, CD in drugimi biofizikalnimi metodami.

Sodelujoče organizacije: EN-FIST

a. osnovni podatki glede financiranja:

Projekt financira ARRS v okviru cenovne kategorije C za obdobje treh let v obsegu 2469 letnimi urami. Pričetek financiranja je 1. 7. 2019.

b. sestava projektne skupine s povezavami na SICRIS

Na Kemijskem inštitutu v projektni skupini J1-1704 sodelujejo:
Janez Plavec
Šket Primož
Maria Toplishek
Trajkovski Marko

2. FAZE PROJEKTA IN NJIHOVA REALIZACIJA

1. faza:
- izbor primernih biološko zanimivih z gvanini bogatih oligonukleotidnih zaporedij
- izvedba preliminarnih NMR eksperimentov, ki nam bodo omogočili oceniti kvaliteto vzorcev za kasnejše NMR študije v odsotnosti in prisotnosti kationov
- predstavitev rezultatov v revijah z mednarodnim recenzentskim sistemom in na mednarodnih simpozijih in konferencah

2. faza:
- sinteza modificiranih oligonukleotidnih zaporedij, ki nam bodo pomagala pri določevanju predzvitih in v celoti tvorjenih G-kvadrupleksnih struktur
- sinteza delno z 15N in 13C izotopsko označenih oligonukleotidov
- izvedbo nadaljnjih NMR eksperimentov potrebnih za asignacijo kemijskih premikov
- uporaba komplementarnih tehnik (UV, CD) za določitev talilne temperature, usmerjenosti verig
- predstavitev rezultatov v revijah z mednarodnim recenzentskim sistemom in na mednarodnih simpozijih in konferencah

3. faza:
- priprava omejitev razdalj in ostalih strukturnih omejitev
- molekularno modeliranje s simulacijo počasnega ohlajanja
- določitev 3D strukture
- predstavitev rezultatov v revijah z mednarodnim recenzentskim sistemom in na mednarodnih simpozijih in konferencah

3. BIBLIOGRAFSKE REFERENCE, KI IZHAJAJO NEPOSREDNO IZ IZVAJANJA PROJEKTA

HADŽI, San, KOCMAN, Vojč, OBLAK, Domen, PLAVEC, Janez, LAH, Jurij. Energetic basis of AGCGA-rich DNA folding into a tetrahelical structure. Angewandte Chemie: International edition 2019, 58, 2387-2391. [COBISS.SI-ID 1538129603]

BIELSKUTE, Stas, PLAVEC, Janez, PODBEVŠEK, Peter. Impact of oxidative lesions on the human telomeric G-quadruplex. Journal of the American Chemical Society 2019, 141, 2594-2603. [COBISS.SI-ID 6582554

MARUŠIČ, Maja, PLAVEC, Janez. Towards understanding of polymorphism of the G-rich region of human papillomavirus type 52. Molecules 2019, 24, 1294-1-1294-19. [COBISS.SI-ID 6616090]

KOTAR, Anita, RIGO, Riccardo, SISSI, Claudia, PLAVEC, Janez. Two-quartet kit* G-quadruplex is formed via double-stranded pre-folded structure. Nucleic acids research 2019, 47, 2641-2653. [COBISS.SI-ID 6612762]

LENARČIČ ŽIVKOVIĆ, Martina, ROZMAN, Jan, PLAVEC, Janez. Adenine-driven structural switch from a two- to three-quartet DNA G-quadruplex. Angewandte Chemie: International edition 2018, 57, 15395-15399. [COBISS.SI-ID 6525722]

TAKAHASHI, Shuntaro, KIM, Ki Tae, PODBEVŠEK, Peter, PLAVEC, Janez, KIM, Byeang Hyean, SUGIMOTO, Naoki. Recovery of the formation and function of oxidized G-quadruplexes by a pyrene-modified guanine tract. Journal of the American Chemical Society 2018, 140, 5774-5783. [COBISS.SI-ID 6386458]

TRAJKOVSKI, Marko, ENDOH, Tamaki, TATEISHI-KARIMATA, Hisae, OHYAMA, Tatsuya, TANAKA, Shigenori, PLAVEC, Janez, SUGIMOTO, Naoki. Pursuing origins of (poly)ethylene glycol-induced G-quadruplex structural modulations. Nucleic acids research 2018, 46, 4301-4315. [COBISS.SI-ID 6389786]

BRČIČ, Jasna, PLAVEC, Janez. NMR structure of a G-quadruplex formed by four d(G4C2) repeats : insights into structural polymorphism. Nucleic acids research 2018, 46, 11605-11617. [COBISS.SI-ID 6542874]

4. LOGOTIP ARRS IN DRUGIH SOFINANCERJEV

arrs javna agencija za raziskovalno dejavnost