NMR investigations of G-quadruplex structures

  • This thesis deals with the NMR characterization of the structure and the folding dynamics of DNA G quadruplexes as potential therapeutic target in cancer therapy and building block for DNA based nanotechnology. The first part of this thesis (Chapters 1-5) introduces the reader to the world of G quadruplexes. The main features of the classic Watson Crick double helix and alternative non B DNA structures are illustrated in Chapter 1. Many different base pairing schemes are possible, besides the canonical Watson Crick motif, thereby expanding the structural complexity of DNA. Non canonical base pairing, such as Hoogsteen hydrogen bonding, enables the assembly of triplets and quartets, which are the building blocks of triplex and quadruplex structures, respectively. The structural characteristics of DNA G quadruplexes are delineated in detail in Chapter 2. G quadruplex structures are extremely polymorphic, in terms of strands orientation, loops geometry, grooves width and arrangement of the glycosidic torsion angles. The various structural elements as well as the different cation coordination geometries are here presented, with a special emphasis on the diversity of conformations reported for the telomeric DNA G quadruplexes. Chapter 3 describes the biological roles of G quadruplex structures in the genome. After introducing the architecture of the telomeric DNA and its interacting proteins, the mechanism of the telomeres elongation catalysed by the telomerase enzyme and its implications for cancer are discussed. The occurrence of G quadruplex structures in functional regions of the genome, such as promoter regions of oncogenes, and their possible roles in regulating the gene transcription are then outlined in the second part of the chapter. The potential of G quadruplex as a novel anti cancer target is examined in Chapter 4 and the proposed anti cancer mechanisms for a ligand stabilizing G quadruplex structures are discussed. RNA G quadruplexes and their putative role in gene regulation at the level of translation are briefly illustrated at the end of the chapter. A general overview on the NMR methods to investigate the G quadruplex structures is presented in Chapter 5. The experimental set up used for the real time NMR studies of the G quadruplex folding is also described. The second part of the thesis (Chapters 6-8), which is the cumulative part, comprises the original publications grouped in three Chapters according to the topic. The state of the art on small molecules targeting G quadruplex structures is given at the beginning of Chapter 6, including a summary of the experimental structures of G quadruplexes in complex with ligands available up to date. The publications presented in Chapters 6.1-6.3 are concerned with the elucidation of the interaction modes between DNA G quadruplexes and selected ligands with potential therapeutic applications. The binding ability of two natural alkaloids (berberine and sanguinarine) to telomeric G quadruplexes is examined in Chapter 6.1. The ability of carbazole and diguanosine derivatives (synthetized in the group of Prof. Dash, IISER, Kolkata) to interact with c-MYC G quadruplex and down regulate c-MYC expression is explored in Chapter 6.2 and Chapter 6.3, respectively. The energy landscape of human telomeric G quadruplex structures is discussed in Chapter 7, in light of the experimental kinetic studies as well as molecular dynamics simulations reported in literature until now. Up to date there is no general consensus regarding the folding pathway of unimolecular human telomeric G quadruplex, in particular due to the lack of atomic resolution data on the species involved in the folding. Chapter 7.1 presents the first real time NMR study of the human telomeric G quadruplex folding kinetics. The final chapter of this thesis (Chapter 8) outlines the potential of G-quadruplex structures as building blocks in nanotechnology. After illustrating briefly the additional possibilities offered by alternative non B DNA structures to programme nanomaterials, a number of applications employing G quadruplex structures in different fields of nanotechnology are described. The article presented in Chapter 8.1 investigates the structural and photoswitching properties of a novel intermolecular azobenzene containing G quadruplex synthetized in the group of Prof. Heckel (Goethe University, Frankfurt).
  • Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der NMR-Charakterisierung der Struktur und der Faltungsdynamik von DNA-G-Quadruplexen als mögliches therapeutisches Ziel in der Krebstherapie und Baustein für die DNA-basierte Nanotechnologie. In Gegenwart stabilisierender Kationen wie Na+ oder K+, können G-reiche Sequenzen G-Quadruplexstrukturen durch Stapeln mehrerer G-Tetraden ausbilden. Dabei besteht jede G-Tetrade aus der zyklischen Anordnung von vier Guaninbasen, die durch Hoogsteen-Wasserstoffbrücken stabilisiert wird. Die kanonische B-DNA wurde für lange Zeit als einzige physiologisch relevante DNA-Konformation angesehen; allerdings wurde kürzlich die Rolle der GQuadruplexstrukturen als regulatorisches Element in vielen biologischen Prozessen erkannt. Telomer-DNA wird durch die Wiederholung eines G-reichen Motivs gebildet und ihr einzelsträngiger 3'-Überhang ist das Substrat der Telomerase, die in 85-90% aller menschlichen Krebsarten hochreguliert ist. Die Bildung von G-Quadruplexen am 3'-Ende der menschlichen Telomer-DNA wurde nachgeweisen. Die Bildung von G-Quadruplexstrukturen kann die Rekritierung von Telomerase und Telomer-assoziierten Proteinen, die für das „Capping“ und die Integrität der Chromosomenenden erforderlich sind, beeinflussen. Daher richteten sich die Forschungsbemühungen in letzter Zeit auf kleine Moleküle, die aufgrund ihrer Fähigkeit sich an G-Quadruplexstrukturen zu binden und diese zu stabilisieren, potentielle Krebsmedikamente darstellen. Jedoch ist aufgrund des hohen Polymorphismus der menschlichen Telomer-DNA die bisher bekannte Strukturinformation für G-Quadruplex-Ligand-Komplexe nur spärlich. Um die Bindungsmechanismen zwischen der G-Quadruplexstruktur und den wechselwirkenden Liganden besser zu verstehen und zu interpretieren, sind weitere Informationen über den Aufbau und die Dynamik der menschlichen Telomer-DNA erforderlich. Außerdem ist ein tieferes Verständnis der Faltungsmechanismen telomerer G-Quadruplexe notwendig, um die Wechselwirkung des 3'-Überhangs der Telomere mit Liganden und Telomer-bindenden Proteinen aufzuklären. Bioinformatische Vorhersagen ergaben auch in anderen Regionen des Genoms die potentielle Bildung von G-Quadruplexstrukturen, was auf deren mögliche Rolle in der Transkriptionsregulation hindeutet. Insbesondere sind potentielle G-Quadruplex-bildende Sequenzen in Promotorregionen mehrerer Onkogene, im Vergleich zu Tumorsuppressorgenen und Haushaltsgenen, angereichert. Die Effekte der G-Quadruplexbildung und deren Stabilisierung durch kleine Moleküle sind am besten für die Transkription des c-MYC-Onkogens untersucht, dessen Expression in einer Reihe von malignen Erkrankungen dereguliert ist. Es wurde gezeigt, dass die Bindung von kleinen Molekülen an die G-Quadruplexstrukturen, die in der G-reichen Sequenz oberhalb der c-MYCPromotorregion gebildet werden, eine Herabregulation der c-MYC-Epression zur Folge hat.

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author:Irene BessiORCiDGND
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-413228
Place of publication:Frankfurt am Main
Referee:Harald SchwalbeORCiDGND, Alexander HeckelORCiDGND, Janez Plavec
Advisor:Harald Schwalbe
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2016/07/21
Year of first Publication:2016
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2016/06/29
Release Date:2016/07/21
Page Number:173
HeBIS-PPN:384828353
Institutes:Biochemie, Chemie und Pharmazie / Biochemie und Chemie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht