Concentration-dependent topology of telomere DNA quadruplexes

Abstract

Telomery obsahují opakující se sekvence DNA a hrají klíčovou roli při stárnutí buněk a rakovině. Lidská telomerní DNA obsahuje sekvence bohaté na guanin, jako je (GGGTTA) n, které jsou schopné sestavit čtyřvláknové kvadruplexní struktury. Kvadruplexy mohou zaujimat různé topologie v závislosti na iontovém prostředí, koncentraci, teplotní historii a dalších faktorech. Tyto topologie zahrnují paralelní, antiparalelní a hybridní (3 + 1) typy. Zkoumali jsme účinek ředění a annealingu dvou lidských telomerních sekvencí (21 a 22 nukleotidů dlouhých) v roztoku obsahujícím draselné kationty metodami nukleární mag- netické rezonance (NMR) a Ramanovy spektroskopie. Zjistili jsme, že multimolekulární komplexy s paralelní orientací řetězců DNA, které vzníkají při vysoké koncentraci DNA (≈ 10 mM), přetrvávají i po silném zředění. Jsou narušeny pouze tepelným annealingem. Navíc annealing vedl k vytvoření unimolekulárního G-kvadruplexu, který zaujímal hy- bridní (3 + 1) konformaci. Hybridní (3 + 1) konformace G-kvadruplexu je nejpop- ulovanější monomolekulární kvadruplexní struktura přítomná v roztoku, bez ohledu na koncentraci oligonukleotidů. Pozorovali jsme rozdíly mezi strukturami kvadruplexů v koncentrovaných a zředěných roztocích a také před a po anealingu. Předkládaná práce přináší nový pohled na závislost typu...

Telomeres contain repetitive DNA sequences and play a key role in cellular ageing and cancer. Human telomeric DNA contains guanine-rich sequences, such as (GGGTTA)n, that are capable of four-stranded quadruplex structures assembling. Quadruplexes can adopt various topologies depending on the ionic environment, concentration, thermal treatment and other factors. Those topologies include parallel, anti-parallel and hybrid (3+1) types. We explored the effect of dilution and annealing of two human telomere sequences (21 and 22 nucleotide long) in a potassium-containing solution by nuclear magnetic reso- nance (NMR) and Raman spectroscopies. We found that multimolecular complexes with parallel orientation of the DNA strands, which are formed at high DNA concentration (≈ 10 mM), persist even after strong dilution. They are disrupted only by thermal an- nealing. Furthermore, annealing led to the creation of a unimolecular G-quadruplex that appeared to be in (3 + 1) conformation. The (3 + 1) conformation of G-quadruplex is the most populated monomeric quadruplex structure present in the solution, regardless of oligonucleotide concentration. We examined the differences between quadruplex structures in crowded and diluted solutions, as well as, before and after annealing. The presented thesis brings new in- sights...