DNA-Rückgrat Umlagerungen

Forschungsprojekt P 13845DNA - Rückgrat UmlagerungenKlaus R. LIEDL11.10.1999 Das DNA-Rückgrat besteht aus wiederholten Desoxyribonukleosiden und negativ geladenen Phosphorsäurediestereinheiten. Diese exponierten Zentren starker elektrostatischer Wechselwirkung spielen eine entscheidende Rolle beim DNA-Protein Bindungsvorgang. Es ist bekannt, daß die Phosphorsäurediester zwei unterschiedliche räumliche Anordnungen einnehmen können (z.B. BI und BII bei B-DNA, ZI und ZII bei Z-DNA). Während man früher diese Umlagerungen Kristallpackungseffekten zugerechnet hatte, fand man kürzlich erhebliche Anteile von beiden B-DNA Anordnungen in Lösung. Deshalb nehmen wir an, daß diese Konformationen einen wesentlichen Einfluß auf DNA-Erkennungs- und DNA-Bindungsprozesse haben. Basierend auf unseren bisherigen Arbeiten planen wir, den Mechanismus dieser Phosphatumlagerungen sowohl für B-DNA als auch für Z-DNA zu untersuchen. Wir sind speziell an der Sequenz- und Ionenstärkeabhängigkeit der Konformationsänderungen interessiert. Weiters planen wir, die freie Enthalpie und andere thermodynamische Größen während des Umlagerungsvorgangs zu analysieren. Um die biologischen Folgen besser zu verstehen, haben wir vor, uns mit Komplexen kleiner Liganden an DNA zu beschäftigen. In einer engen und erfolgreichen Zusammenarbeit mit einer spektroskopisch orientierten Gruppe von Experimentatoren sind wir in der Lage, eine Reihe von geeigneten Simulationsmethoden für die Klärung der oben angeführten Fragestellungen einzusetzen.

Die Erbinformation wird in Form von Desoxyribonukleinsäure (DNS) weitergegeben. Ausgehend von den DNS- Strängen werden in jeder Zelle alle weiteren Biomoleküle aufgebaut. Der DNS-Doppelstrang besteht aber nicht nur aus den Basenpaaren, die die eigentliche Erbinformation und somit den Bauplan für jede Zelle enthalten, sondern auch aus einem Rückgrat, das aus Zuckereinheiten (den sogenannten Desoxyribosen) besteht, die wiederum über Phosphatdiesterbrücken miteinander verbunden sind. Ein Molekül, das sich der DNS nähert, wird in erster Linie durch die starke elektrostatische Wechselwirkung, die von den Phosphatdiesterbrücken ausgeht, geleitet. Die eigentliche Sequenzinformation kann erst beim direkten Kontakt mit der kleinen oder großen Furche des DNS- Doppelstranges ausgelesen werden. Somit kommen Strukturumlagerungen des DNS-Rückgrats besondere Bedeutung zu. Insbesondere weisen fast alle DNS-bindenden Proteine intensive Kontakte mit dem DNS-Rückgrat auf. Dies geht soweit, dass bei manchen Proteinen ausschließlich Kontakte zum Rückgrat gebildet werden. Im Projekt wurde zu Beginn der Mechanismus der Rückgratumlagerungsvorgänge untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass Wassermoleküle eine entscheidende Rolle bei den Umlagerungsvorgängen spielen. Im weiteren untersuchten wir, wie lineare Moleküle, die sich in die kleine Furche der DNS einlagern, die Struktur des DNS- Rückgrats sequenzspezifisch beeinflussen. Dabei wurde vor allem ein Erstarren des ansonsten relativ flexiblen Rückgrats in bestimmten Positionen beobachtet. In Kombination mit unserer Erkenntnis, dass sich Veränderungen der kleinen Furche über Rückgratumlagerungen in die große Furche fortpflanzen, zeigt sich, dass sich Bindungsvorgänge von Proteinen in der großen Furche durch Komplexierung in der kleinen Furche über DNS- Rückgratumlagerungen beeinflussen lassen. Wir untersuchten deshalb Möglichkeiten Basen und/oder Liganden in der kleinen Furche zu modifizieren, um gezielt Bindungsvorgänge über Rückgratumlagerungen beeinflussen zu können. Schließlich analysierten wir die Dynamik verschiedener Protein-DNS Bindungsvorgänge, um zu erkennen, wie stark die Flexibilität von DNS-Rückgrat-Konformationen in Protein-DNS-Komplexen eingeschränkt ist. In der Zusammenschau der verschiedenen Erkenntnisse zeigt sich als Ergebnis des Projektes, dass es durchaus möglich sein sollte, Bindungsvorgänge an die DNS und somit die Übersetzung der Erbinformation sequenzspezifisch durch Liganden in der kleinen Furche der DNS zu steuern.