Verbesserung der Qualität von NMR-Strukturen von RNA und DNA

• Antragsteller: Professor Dr. Harald Schwalbe
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 537258662

NMR-Spektroskopie (NMR) ist für die Charakterisierung von DNA und RNA sehr wichtig und umfasst eine Vielzahl von Methoden, die wesentliche Erkenntnisse über deren Struktur, Funktion, Wechselwirkungen und Konformationsdynamik liefern. Trotz des bedeutenden Beitrags der NMR auf diesem Gebiet fehlen für Nukleinsäuren noch einige wesentliche Werkzeuge und Verfahren (die routinemäßig für Proteine verfügbar sind). Ihre Bereitstellung erfordert weitere Entwicklung und Optimierung. Insbesondere die Parametrisierung von Kraftfeldern, die zur Strukturbestimmung von Nukleinsäuren verwendet werden, ist noch nicht ausreichend. Die Weiterentwicklung in diesem Bereich ist daher unerlässlich, um genauere und qualitativ hochwertigere NMR-Strukturen aufzuklären. Dies erfordert eine Verifizierung anhand von gut charakterisierten RNA- und DNA-Referenzsystemen. Unser Ziel ist es, die derzeit etablierten Methoden und Protokolle zu verbessern und qualitativ hochwertige Daten zur Optimierung der Kraftfeldparametrisierung bereitzustellen. In diesem Zusammenhang haben wir bereits die Struktur eines RNA-Haarnadel-Modellsystems mit UUCG-Tetraloop anhand einer Fülle von Strukturdaten aufgeklärt und dabei optimierte Potenziale zur Verfeinerung in Wasser einbezogen. Diese Struktur gilt derzeit als Goldstandard für Optimierungen und Bewertung von Kraftfelder durch Kreuzvalidierung mit anderen empirischen Daten. Da sich dieser RNA-Haarnadel ideal für die Methodenentwicklung herausstellte, untersuchen wir momentan die Struktur und Dynamik verschiedener weiterer Tetraloops (GCAA, GAAG). Außerdem bestimmen wir aus unseren aktuellen umfangreichen Untersuchungen von Elementen aus das Genom von RNA-Viren (Covid-19 und West-Nil-Virus) und anderen kleinen DNA- und RNA-Motiven, um zahlreiche zusätzliche Modellziele bereitzustellen. In unserem Bestreben, das sich als dynamisch erwiesene CUUG-Tetraloop-System realistisch zu beschreiben, haben wir bereits NMR mit MD-Simulationen kombiniert, um die die Konformationslandschaft mittels Ensembles von Strukturen zu beschreiben. Wir werden größere RNA- und DNA-Moleküle, G-Quadruplexe und RNA/DNA-Triplexe unter Einbeziehung zusätzlichen globaler, weitreichender Struktur-, Orientierungs- und Dynamikdaten, mit Unterstützung durch Strukturvorhersage und Homologie-Modellierung, zur Bewertung des Nukleinsäure-Kraftfelds und zur Verbesserung von Protokollen heranziehen. Weiterhin planen wir die wichtigsten und häufigsten RNA- und DNA-Modifikationen sowie verschiedene Ionen einzubeziehen und beabsichtigen Verfahren zu Strukturberechnung von Konformationsensembles weiterzuentwickeln. Diese neuen und verbesserten Parameter und Methoden werden in etablierter Software und durch Implementierung in unserem bestehenden Webportal-Service zur NMR-Strukturbestimmung der Struktur-NMR-Community zur Verfügung gestellt. Darüber hinaus werden wir die Ergebnisse in geeigneten Open-Source-Datenbanken, Zeitschriften und Plattformen publizieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Dänemark
• Kooperationspartner: Professor Kresten Lindorff-Larsen, Ph.D.