Modelación de estructuras no-

convencionales de ADN importantes en procesos celulares como transcripción y

regulación genética

Miguel Angel Méndez Ph. D. Colegio de Ciencias de la Salud – USFQ

Grupo Ecuatoriano para el Estudio Experimental y Teórico de Nanosistemas (GETNano)

mmendez@usfq.edu.ec 27 de Enero, 2012

ADN: un icono de nuestra civilización

“No molecule in the history of science has reached the iconic status of the double helix of DNA. Its image has

been imprinted on all aspects of society, from science, art, music,

cinema, architecture and advertising.” – Martin Kemp en la edición especial de Nature por el aniversario 50 de la

doble hélice (2003)

2

Calladine, 1998

Estructuras atípicas: pares de bases alternativas a Watson-Crick, estructuras de cierre, G-cuádruples, etc.

Estructura de cristal de G-cuádruple paralelo del DNA telomérico humano.

Spletstoesser, 2011

PDB ID: 2FZA

G-cuádruple en el genoma

5

C-myc es un gen regulador codifica un factor de transcripción

González and Hurley. The c-MYC NHE III1: Function and Regulation. Annual Review of Pharmacology and Toxicology. 2010. Vol. 50: 111-129

Yang et al. EMBO reports. 2007. Vol. 8: 1003-1010

Publicaciones sobre G-cuádruple en Pubmed

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Estructura de cierre

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Los dúplex precursores (izquierda) se ha propuesto tienen una estructura tipo cierre en la región central rica en guaninas mal apareadas. Mecanismo propuesto por Fahlman and Sen para la formación de ADN G-cuádruple sinapsable (derecha).

MODELACION CON DINAMICA MOLECULAR

EXPLORANDO NUEVAS FRONTERAS IN SILICO

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Objetivo: obtener detalles mecanísticos y estructurales no ambiguos en procesos como desnaturalización/renaturalización, formación de estructuras secundarias, o autoensamblaje a un nivel molecular

•Métodos de mecánica molecular •& Dinámica molécular • Optimizados para biomoléculas •Sistemas grandes con decenas de miles de átomos

Dinámica molecular con CHARMM y AMBER Solvente explícitos Control de presión y temperatura

Predicción de estructura

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5’-ACAGTAGAGATGCTGCTGAGGGGGGGGTGTGCTTCAAGC-3'

3’-TCTACGACGACTGGGGGGGGACACGAAGTTCGCTACTGT-5'

Formación de ADN sinapsable procede a través de intermediarios de doble

cadena

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1) C2, 2)SQ1B, 3)duplex C2:SQ1A, 4) duplex SQ1A:SQ1B, 5) C2:SQ1A and SQ1A:SQ1B, 6) C1A. 7) C2:SQ1A and SQ1A:SQ1B. 8) 100 bp DNA ladder

Vista rápida de nanofibras en base a ADN sinapsable

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AFM muestra altura promedio de 1.5 nm y fibras de hasta 2 µm de largo

Desafíos: ¿a nivel molecular cuál es el mecanismo de ensamblaje?

Primeros pasos hacia resolver los desafíos: Solvente y iones

Modelo inicial de biomolécula se introduce en una caja de agua y se agregan iones (NaCl)

Otro ejemplo experimento/teoría se complementan: Espectroscopia de fluorescencia para monitorear la

estructura supramolecular

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Conclusión: exactamente la misma secuencia difiere SIGNIFICATIVAMENTE en la emisión cuando la estructura difiere.

•Problema: fluoróforos marcadores se ha observado limitan el ensamblaje. •Solución: utilizar la fluorescencia intrínseca de los G-cuádruple en el monitoreo del ensamble

Preguntas sin resolver

• ¿Cuál es/son la estructura(s) predominantes en solución que se observan producen emisiones significativamente diversas?

• ¿Qué podemos modificar para controlar el equilibrio hacia el producto que nos interese de forma racional y reproducible?

Desafío: ¿Podemos utilizar métodos de modelación para ganar información valiosa para responder estas preguntas?

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Mínimas diferencias en secuencia hacen la diferencia: GGGT vs TGGG

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C G3T cyc. TG3 cyc G3T90 TG390 G*/Tcyc G/T*cyc

12mer

17mer

•“Nuevas estructuras tipo entrecruzadas (interlocked quadruplex)”. •¿Pueden estructuras similares ocurrir in vivo?

G-quadruplex

Interlocked

Análisis de minimizaciones de una de las especies - rmsd

• Muestra el cambio de un átomo desde su posición inicial utilizando una escala de colores

RMSD de minimización de monómero de G-cuádruple

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La minimización me permite identificar qué bases cambian más, modificar los iones presentes y ver su efecto sobre la estabilidad de estas bases, etc.

Condiciones del sistema pueden inducir la formación de nuevas

estructuras

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• Los siguientes factores controlan el ensamblaje • Temperatura (proceso de

desnaturalización/renaturalización) • Cationes presentes (K+, Mg2+, TMAC) • Concentración • Tiempo

• Podemos modelar a nivel molecular el efecto de estos factores in silico

Conclusiones

• Métodos de modelación utilizando dinámica molecular proveen herramientas para explorar múltiples preguntas derivadas de resultados experimentales

• Resultados de modelación pueden permitir crear nuevas estrategias de ensamblaje de nanomateriales.

• Se debe tener extremado cuidado en la construcción del modelo inicial: – distancia entre los residuos de las distintas cadenas – posición de cationes

Agradecimientos

• Al grupo de Química computacional y teórica - USFQ. • Javier Torres, Ph.D. • Marcos Becerra • Miembros del la división de nanobiotecnología: Bernardo

Gutiérrez, Gabriela Méndez, Andrea Montero, Andrea Sosa, Dennisse Vallejo, y Francisco Yanqui

Muchas gracias por su atención

Modelación de estructuras no-

convencionales de ADN importantes en procesos celulares como transcripción y

regulación genética

Miguel Angel Méndez Ph. D. Colegio de Ciencias de la Salud – USFQ

Grupo Ecuatoriano para el Estudio Experimental y Teórico de Nanosistemas (GETNano)

mmendez@usfq.edu.ec 27 de Enero, 2012