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Vergleichende Röntgenstrukturanalysen von Nukleinsäuren

Eichert, André - Freie Universität Berlin (2010)


Hochaufgelöste Strukturen von Nukleinsäuren geben Aufschluss über die Konformation, Hydratation und Ligandenbindung der Moleküle. Als Modellsysteme für natürliche Nukleinsäuren wurden zwei tRNA-Akzeptorstämme und zum Vergleich eine davon abgeleitete modifizierte "locked" Nukleinsäure untersucht. Um eine maximale Auflösung der Strukturen zu erzielen, wurden Kristallisationsansätze unter Mikrogravitationsbedingungen durchgeführt und gleichzeitig die Länge der untersuchten Moleküle auf sieben Basenpaare begrenzt.

Anhand der Struktur des tRNAArg-Akzeptorstammes konnte beispielhaft die Bindung von kleinen Molekülen an einfache Nukleinsäurefaltungsmotive gezeigt werden. Die Ergebnisse stehen im Einklang mit Untersuchungen zur basen-spezifischen Bindung von kleinen Molekülen an Aptamere und Riboswitches.

Die Struktur des tRNASer-Akzeptorstammes weist durch ihre hohe Auflösung von 1,2 Å eine nahezu vollständige Hydratation aller Basenpaare auf. Da der Akzeptorstamm von tRNAs wesentliche Identitätsmerkmale für die Erkennung durch die korrespondierenden Aminoacyl-tRNA-Synthetasen trägt, konnte durch einen Vergleich mit einem Isoakzeptor der Einfluss des Wassernetzwerkes auf die Interaktion mit natürlichen Bindungspartnern untersucht werden. Dies wurde durch eine Superpositionierung der beiden Isoakzeptoren mit der Seryl-tRNA-Synthetase bestätigt und ausgeweitet.

Die Sequenz und Struktur des tRNASer-Akzeptorstammes stellten die Grundlage für die Untersuchung der davon abgeleiteten Struktur einer "locked" Nukleinsäure hinsichtlich Konformation, Hydratation und Ligandenbindung dar. Dies ermöglichte einen sequenzunabhängigen Vergleich der LNA mit der korrespondierenden RNA. Dabei zeigte sich, dass die LNA eine vorher nicht beschriebene Doppelhelixstruktur einnimmt, aus der heraus Gründe für die hohe thermische Stabilität dieser Nukleinsäureklasse abgeleitet werden konnten. Die Duplex ist im Vergleich zur RNA durch eine Streckung bei gleichzeitiger Öffnung charakterisiert, was konformationell eher anderen modifizierten als der natürlichen Nukleinsäure ähnelt. Trotz der strukturellen Unterschiede gleichen das Hydratationsmuster und das Ligandenbindungsverhalten in weiten Bereichen dem der natürlichen Nukleinsäure.


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