1,721,104 research outputs found
Occurrence and stability of lone pair-π stacking interactions between ribose and nucleobases in functional RNAs
No full textThe specific folding pattern and function of RNA molecules lies in various weak interactions, in addition to the strong base-base pairing and stacking. One of these relatively weak interactions, characterized by the stacking of the O4' atom of a ribose on top of the heterocycle ring of a nucleobase, has been known to occur but has largely been ignored in the description of RNA structures. We identified 2015 ribose-base stacking interactions in a high-resolution set of non-redundant RNA crystal structures. They are widespread in structured RNA molecules and are located in structural motifs other than regular stems. Over 50% of them involve an adenine, as we found ribose-adenine contacts to be recurring elements in A-minor motifs. Fewer than 50% of the interactions involve a ribose and a base of neighboring residues, while approximately 30% of them involve a ribose and a nucleobase at least four residues apart. Some of them establish inter-domain or inter-molecular contacts and often implicate functionally relevant nucleotides. In vacuo ribose-nucleobase stacking interaction energies were calculated by quantum mechanics methods. Finally, we found that lone pair-π stacking interactions also occur between ribose and aromatic amino acids in RNA-protein complexes
The yeast Arr4p ATPase binds the chloride transporter Gef1p when copper is available in the cytosol
No full textCellular ion homeostasis involves communication between the cytosol and the luminal compartment of organelles. This is particularly critical for metal ions because of their toxic potential. We have identified the yeast homologue of the prokaryotic ArsA protein, the homodimeric ATPase Arr4p, as a protein that binds to the yeast intracellularCLCchloride-transport protein, Gef1p. We show that binding of Arr4p to the C terminus of Gef1p requires the presence of yeast cytosol and is sensitive to a highly specific copper chelator in vitro and in vivo. Copper alone can substitute for cytosol to support the interaction of Arr4p with the C terminus of Gef1p. The migration behavior of Arr4p in nonreducing gel electrophoresis correlates with cellular copper deficiency, repletion, or stress. Our homology model of Arr4p shows that the antimony (arsenic) metal binding site of ArsA is not conserved in Arr4p. The model suggests that a pair of cysteines, Cys285 and Cys288, is located in the interface of the Arr4p dimer. These residues are required for Arr4p homodimerization and for binding to the C terminus of Gef1p. Whereas both proteins are required for normal growth under iron-limiting conditions, they play opposite roles when copper and heat stress are combined in an alkaline environment. Under these conditions, Δgef1 cells grow much better than wild type yeast, whereas Δarr4 cells are unable to grow. Comparison of the Δarr4 with the Δarr4Δgef1 strain suggests that Arr4p antagonizes the function of Gef1p. © 2006 by The American Society for Biochemistry and Molecular Biology, Inc
Structural modeling of macromolecular complexes
Full text linkWydział BiologiiKompleksy makromolekularne odgrywają fundamentalną rolę w wielu procesach w komórce. Struktury niektórych kompleksów zostały rozwiązane doświadczalnie, jednak dla większości z nich dostępne dane strukturalne są niekompletne. W takich przypadkach możliwe jest zastosowanie narzędzi komputerowych, tworzących modele kompleksów w oparciu o dane pochodzące z różnych źródeł. Takie podejście, nazywane podejściem hybrydowym, wykorzystuje program PyRy3D. Za jego pomocą zbudowano modele dwóch kompleksów, opisane w niniejszej pracy. Pierwszym z nich był edytosom T. brucei - kompleks przeprowadzający proces edycji pre-mRNA u afrykańskich świdrowców. Analiza rozmieszczenia poszczególnych komponentów w modelu pozwala na zaproponowanie mechanizmu działania edytosomu, w którym obecne na powierzchni regiony nieuporządkowane odpowiedzialne są za aktywność remodelującą RNA, natomiast zgromadzone w rdzeniu układu ustrukturyzowane domeny odpowiadają za jego aktywność katalityczną. Drugim opisanym modelem jest model kompleksu karboksylazy acylo-CoA z M. tuberculosis. Kompleks ten katalizuje jedną z reakcji szlaku syntezy kwasów mikolowych u mikobakterii. Uzyskany model sugeruje strukturalne podstawy mechanizmu działania kompleksu, w którym domena BCCP białka AccA3 porusza się między kolejnymi etapami reakcji karboksylacji acylo-CoA, dzięki obecnemu w strukturze białka elastycznemu łącznikowi.
Macromolecular complexes play a fundamental role in many processes in the cell. The structures of some complexes have been solved experimentally, but for most of them the available structural data is incomplete. In such cases, it is possible to use computational tools that create models of complexes based on data from different sources. Such an approach, called hybrid approach, is used by the PyRy3D software that was applied to build models of two complexes described in this work. The first was the editosome of T. brucei, a complex that carries out the pre-mRNA editing process in African trypanosomas. Analysis of the distribution of components in the model allows us to propose a mechanism of action, in which disordered regions present on the surface are responsible for RNA remodeling activity, while structured domains accumulated in the core of the system are responsible for its catalytic activity. The second model described is that of an acyl-CoA carboxylase complex from M. tuberculosis. This complex catalyzes one of the reactions of the mycolic acid synthesis pathway in mycobacteria. The resulting model suggests a structural basis for the mechanism of action of the complex, in which the BCCP domain of the AccA3 protein moves between successive steps in the acyl-CoA carboxylation reaction, thanks to a flexible linker present in the structure of the protein.Niniejsza praca powstała dzięki wsparciu:
1. Poznańskiego Centrum Superkomputerowo Sieciowego:
- grant pt. „Modelowanie struktur wielopodjednostkowych kompleksów makromolekularnych”, kierownik projektu: dr Joanna Kasprzak
- grant pt. „Biologia obliczeniowa”, kierownik projektu: prof. dr hab. Wojciech Karłowski
2. Poznańskiego Konsorcjum RNA KNOW (01/KNOW2/2014
Development of new biological databases of nucleic acids metabolism.
No full textWydział BiologiiGłównym celem projektu było stworzenie elementów ujednoliconego systemu bazodanowego opisującego cały metabolizm kwasów nukleinowych. Taki system pozwoli na szersze spojrzenie na biologię systemów tych związków, dogłębną analizę szlaków, czy systematyzację wiedzy. Opracowanie tego typu podejścia będzie stanowiło krok milowy w dziedzinie biologii systemów kwasów nukleinowych, pozwoli lepiej zrozumieć wiele ważnych procesów biologicznych i da silny impuls do dalszych analiz doświadczalnych. W ramach niniejszego projektu powstały dwie bazy: REPAIRtoire – baza szlaków naprawy DNA i RNApathwaysDB – baza szlaków dojrzewania i degradacji RNA. Pierwszą bazą jest REPAIRtoire. Choć temat naprawy DNA jest poruszany przez wiele grup badawczych, a informacje znaleźć można w wielu źródłach, do tej pory nie powstało żadne na ten temat. REPAIRtoire to pierwsza taka baza, której celem istnienia jest nie tylko zgromadzenie informacji o systemach naprawy DNA, ale także usystematyzowanie wiedzy o powiązaniach ludzkich chorób z mutacjami występującymi w genach odpowiedzialnych za stabilność DNA oraz dostarczenie danych o źródłach i rodzajach czynników uszkadzających DNA. Drugą bazą jest RNApathwaysDB. Celem tego projektu było stworzenie źródła wiedzy o szlakach dojrzewania i degradacji RNA. Baza ta gromadzi informacje dotyczące reakcji np.: wycinania intronów, dojrzewania i degradacji tRNA, mRNA, rRNA; a także dane o cząsteczkach biorących w nich udział. Opisane bazy w przyszłości zostaną połączone w jeden spójny system, w którym będą nawzajem korzystać ze swoich danych, co spowoduje ich integrację i rozszerzenie funkcjonalności.The main aim of the project was to create elements of a unified database system of nucleic acid metabolism. Such a system will generate a general view of the metabolism of nucleic acids, which will enable eg detailed analysis of particular parts of metabolism. The resulting resource should make a network analysis approach to the biology of nucleic acids not only feasible, but also generate a body of information that is more than the mere sum of its parts. There are two databases developed during the project: REPAIRtoire – a database of DNA repair pathways and RNApathwaysDB – a database of RNA maturation and decay. The first database is REPAIRtoire. Although the topic of DNA repair is covered by many computational resources thus far there has been no specialized database dedicated to DNA repair. REPAIRtoire is the first database of DNA repair pathways, which purpose is to gather together information about all DNA repair systems and proteins and to facilitate the access to knowledge about correlation of human diseases with mutation in genes responsible for DNA stability as well as information about the agents causing DNA damage. The second database is RNApathwaysDB. The goal of this project was to create a resource for RNA maturation anf degradation. The database gathers together set of information on all RNA reaction pathways eg splicing, RNA processing or degradation. The databases are to be merged together in a future to create one unified system
An atlas of RNA base pairs involving modified nucleobases with optimal geometries and accurate energies
Full text linkPosttranscriptional modifications greatly enhance the chemical information of RNA molecules, contributing to explain the diversity of their structures and functions. A significant fraction of RNA experimental structures available to date present modified nucleobases, with half of them being involved in H-bonding interactions with other bases, i.e. 'modified base pairs'. Herein we present a systematic investigation of modified base pairs, in the context of experimental RNA structures. To this end, we first compiled an atlas of experimentally observed modified base pairs, for which we recorded occurrences and structural context. Then, for each base pair, we selected a representative for subsequent quantum mechanics calculations, to find out its optimal geometry and interaction energy. Our structural analyses show that most of the modified base pairs are non Watson-Crick like and are involved in RNA tertiary structure motifs. In addition, quantum mechanics calculations quantify and provide a rationale for the impact of the different modifications on the geometry and stability of the base pairs they participate in
Structure modeling of large multisubunit macromolecular complexes
No full textWydział Biologii: Instytut Biologii Molekularnej i BiotechnologiiJednym z największych wyzwań współczesnej biologii strukturalnej jest poznanie funkcji i mechanizmu działania kompleksów makromolekularnych. Przykładem mogą być maszyny makromolekularne takie jak spliceosom, dla którego znany jest kształt całego kompleksu, skład podjednostkowy i dokładna struktura wielu elementów, ale brakuje metod, pozwalających wymodelować kompletną strukturę. Rozwiązanie struktur za pomocą technik doświadczalnych dla dużych kompleksów jest bardzo trudne, kosztowne i zajmuje dużo czasu. Niejednokrotnie, dla mało stabilnych struktur, nie udaje się w ogóle otrzymać struktury. W takich przypadkach jedyną możliwością jest zastosowanie metod komputerowych, służących do szybkiego przeszukiwania przestrzeni możliwych rozwiązań zdefiniowanych przez więzy pochodzące z badań doświadczalnych. W niniejszej pracy doktorskiej przedstawiono program PyRy3D, oparty na założeniach modelowania hybrydowego, który pozwala na wykorzystanie różnych danych doświadczalnych w procesie modelowania struktury. Procedura modelowania kompleksu do przeszukiwania przestrzeni rozwiązań wykorzystuje podejście Monte Carlo. Podejście zastosowane w PyRy3D umożliwia konstruowanie modeli o niskiej rozdzielczości także dla bardzo dużych kompleksów, nawet gdy brakuje danych strukturalnych dla pojedynczych komponentów.One of the major challenges in structural biology is to determine the structures of macromolecular complexes and to understand their function and mechanism of action. However, structural characterization of macromolecular assemblies is very difficult. A hybrid computational approach is required that will be able to incorporate spatial information from a variety of experimental methods into modeling procedure. Thus far, we developed PyRy3D, a method for building low-resolution models of large macromolecular complexes. The components (proteins, nucleic acids and any other type of physical objects including e.g. solid surfaces) can be represented as rigid bodies (e.g. based on atomic coordinates of structures determined experimentally or modeled computationally) or as flexible shapes (e.g. for parts, whose structure is dynamic or unknown). The model building procedure applies a Monte Carlo approach to sample the space of solutions. Spatial restraints are used to define components interacting with each other, and a a simple scoring function is applied to pack them tightly into contours of the entire complex (e.g. Cryo-EM density maps). This approach enables the construction of low-resolution models even for very large macromolecular complexes with components of unknown 3D structure
Bioinformatics analysis of structure and interactions with substrates of RNA methyltransferases responsible for bacterial resistance to antbiotics
No full textWydział Biologii: Instytut Biologii Molekularnej i BiotechnologiiNiniejsza praca doktorska dotyczyła badania interakcji metylotransferaz RNA z ich substratami i kofaktorami oraz projektowania inhibitorów ww. enzymów. W trakcie pracy badane były metylotransferazy Erm modyfikujące m6A2058 w 23S rRNA, odpowiedzialne za oporność bakterii na antybiotyki z grupy MLSB, metylotransferazy Rlm odpowiedzialne za oporność bakterii na tylozynę a modyfikujące m1G745 lub m1G748 w 23S rRNA i metylotransferazy Kam odpowiedzialne za oporność bakterii na aminoglikozydy a modyfikujące m1A1408 w 16S rRNA. W pracy zastosowano metody: symulacji dynamiki molekularnej, dokowania molekularnego, modelowania homologicznego i wirtualnych badań przesiewowych.W trakcie pracy przeanalizowano białko ErmC' i jego substrat RNA. Zbadano ruchy wewnątrzcząsteczkowe białka oraz zaproponowano model interakcji ErmC' z substratem i potencjalny inhibitor ww. enzymu. Zbadano oddziaływania białek Rlm z modyfikowaną przez nie helisą 35 w 23S rRNA. Zaproponowany został model interakcji ww. helisy z dimerem białka RlmA(I). Wymodelowana została struktura białka RlmA(II) oraz model oddziaływania tego enzymu z substratem RNA. Zaprojektowano także potencjalny inhibitor RlmA(II). Wykazano homologię enzymów Kam do metylotransferaz TrmB/Trm8 przeprowadzających metylację m7G. Stworzono model interakcji jednego z białek Kam – NpmA z rybosomem bakteryjnym i zaproponowano inhibitor NpmA.This PhD thesis regarded investigation of interactions between RNA methyltransferases with their substrates and cofactors. It also concerned the designing of inhibitors of the enzymes mentioned above. Investigated methyltransferases included: Erm – modifying m6A2058 in 23S rRNA and responsible for bacterial resistance to MLSB antibiotics, Rlm – responsible for bacterial resistance to tylosin by modification of m1G745 or m1G748 in 23S rRNA and Kam – responsible for bacterial resistance to aminoglycosides by m1A1408 in 16S rRNA modification. Methods used: molecular dynamics, molecular docking, homology modelling and virtual ligand screening.ErmC' and its RNA substrate were investigated. Inner motions inside the protein were examined. A model of interactions between ErmC' and its RNA substrate was proposed. ErmC' inhibitor was designed. The interactions of Rlm proteins with 23S rRNA helix 35 were investigated. RlmA(II) structure was modelled. RNA substrate was docked to RlmA(II) model. A potential inhibitor of RlmA(II) was designed. The homology of Kam enzymes to TrmB/Trm8 methyltransferases methylating m7G was proved. A model of interaction NpmA (from Kam family) with a bacterial ribosome was suggested and NpmA inhibitor was designed
ModeRNA: a tool for comparative modeling of RNA 3D structure
Full text linkWydział Biologii: Instytut Biologii Molekularnej i BiotechnologiiRNA pełni ważne role we wszystkich organizmach żywych. Pełne zrozumienie funkcji i mechanizmów działania cząsteczek RNA jest możliwe jedynie w kontekście ich struktury przestrzennej. Metody doświadczalne pozwalające określić położenie poszczególnych atomów w przestrzeni są jednak drogie i czasochłonne. Powoduje to olbrzymią dysproporcję pomiędzy liczbą znanych sekwencji i znanych struktur. Bazując na podejściu modelowania homologicznego w tej pracy powstał program komputerowy ModeRNA do przewidywania struktury przestrzennej RNA. Buduje on model na podstawie szablonu strukturalnego i przyrównania pomiędzy sekwencją celu i szablonu. Program pozwala ponadto na analizę oraz redagowanie struktury RNA. Jego unikatową cechą jest możliwość modelowania 115 modyfikowanych nukleotydów. Oprócz wersji instalacyjnej programu powstał serwer, który udostępnia operacje do modelowania oraz ułatwia odnalezienie szablonu i przygotowanie przyrównania. Program ModeRNA wspiera wszystkie kroki niezbędne do zbudowania modelu homologicznego cząsteczki RNA. Działanie programu zostało sprawdzone na zbiorze 99 tRNA, dla których zostały zbudowane i ocenione 9802 modele. Średnie RMSD wyniosło 5,6 Å i jest zbliżona do zmienności występującej w zbiorze struktur natywnych. Program ModeRNA posiada obszerną dokumentację, która wraz z kodem dostępna jest pod licencją wolnego i otwartego oprogramowania (GNU GPL).RNA carries out important roles in all living organisms. Complete understanding of its function and mechanisms of action is possible only in the context of 3D structure. Experimental methods that give knowledge about the spatial position of all atoms in a structure are expensive and time-consuming. This has led to a great disproportion between the number of known sequences and the number of known structures. In this thesis, the computer program ModeRNA for RNA structure prediction was developed based on the homology modeling approach. It builds models using a template structure and a pairwise alignment of target and template sequences. The software has also functions for RNA analysis and editing. A unique feature of ModeRNA is the ability to model 115 posttranscriptional modifications. In addition to the standalone software an internet server was implemented. It provides modeling operations and facilitates template search as well as alignment preparation. The ModeRNA software supports all steps required for building homology models. The software was tested on a set of 99 tRNA structures for which 9802 models were built and evaluated. The mean RMSD value for all models is 5.6 Å which is comparable to the variability occurring in native structures. The ModeRNA software has extensive documentation which is available as well as the source code under the GNU GPL open source license
New bioinformatics methods for prediction of metal- and ligand-binding sites in RNA structures
No full textWydział BiologiiGłównym celem prezentowanej rozprawy doktorskiej było stworzenie nowych programów komputerowych służących do przewidywania oddziaływań RNA z małymi cząsteczkami (np. potencjalnymi lekami) i jonami metali. Realizacja niniejszego projektu ma znaczenie dla postępu badań nad biologią RNA. W celu zrozumienia molekularnych mechanizmów działania RNA niezbędna jest wiedza o jego strukturze i oddziaływaniach z innymi cząsteczkami, gdyż to one determinują jego funkcje. W przypadku, gdy istnieją struktury krystaliczne możliwa jest analiza oddziaływań RNA z innymi związkami, jednak w przypadku, gdy dane te nie są dostępne, jedyną alternatywą jest skorzystanie z narzędzi bioinformatycznych. Konieczność podjęcia realizacji prezentowanego projektu jest motywowana brakiem wydajnych i w pełni automatycznych narzędzi tego typu. Powstałe w realizacji prezentowanej pracy doktorskiej narzędzia umożliwiają modelowanie kompleksów struktur RNA z jonami metali i niskocząsteczkowymi ligandami. Ocena siły wiązania opiera się na potencjałach statystycznych wyprowadzonych z bazy danych znanych struktur.The main aim of this project is to create a new bioinformatics method for predicting ligand- and cation-binding sites in RNA structures (for example binding sites of drags acting on RNAs). This project will contribute to the field of RNA biology. The study of RNA-small molecule interactions are an extremely important aspect of contemporary molecular and clinical medicine. The understanding of mechanisms of small molecule recognition by RNA (and vice versa) and the ability to rationally design such interactions would greatly facilitate the design of novel drugs. However, until today an automated and freely available tool for comprehensive analysis of RNA-ligand and -cation interactions has not been created. Within this project I developed a computational method for prediction of ligand- and cation- binding sites in RNA structures, based on structural information of the RNA molecule, using the statistical potential approach
Prediction of RNA structure and protein-RNA interactions
No full textWydział Biologii: Instytut Biologii Molekularnej i BiotechnologiiCelem pracy doktorskiej pt. „Przewidywanie struktury RNA i oddziaływań białko-RNA” było opracowanie i przetestowanie w praktyce programów komputerowych do przewidywania struktury drugorzędowej RNA oraz oddziaływań białek z RNA. W przypadku pierwszego zadania przeprowadzono zarówno testy dostępnych narzędzi, jak i opracowano meta-metodę do przewidywania oddziaływań białek z RNA, która została udostępniona za pomocą meta-serwera GeneSilico http://www.genesilico.pl/meta2. Z kolei w wyniku realizacji drugiego z celów stworzono automatyczny system testów narzędzi do przewidywania struktury drugorzędowej RNA, który udostępniony został poprzez internetowy serwer CompaRNA (http://comparna.amu.edu.pl/ oraz http://iimcb.genesilico.pl/comparna/). Projekt CompaRNA to inicjatywa analogiczna do projektów CASP (ang. Critical Assessment of Techniques for Protein Structure Prediction) oraz Livebench, które doprowadziły do przełomu w rozwoju metod do modelowania struktur białek. Mam nadzieję, że wyniki testów narzędzi do przewidywania oddziaływań białek z RNA oraz struktury drugorzędowej RNA będą impulsem dla naukowców zajmujących się rozwijaniem metodologii do wypróbowania nowych rozwiązań, które przyczynią się do zwiększenia dokładności generowanych przewidywań.The aim of the PhD project entitled „Prediction of RNA structure and protein-RNA interactions” was the benchmarking and development of new bioinformatics methods for 1) the prediction of protein-RNA interactions and 2) the prediction of RNA secondary structure. The first aim was achieved by an in-depth testing of web servers for the prediction of protein-RNA interactions and the development of a new meta-method, which is available via GeneSilico web server http://www.genesilico.pl/meta2. The second task was realized by implementing the CompaRNA server (http://comparna.amu.edu.pl/ & http://iimcb.genesilico.pl/comparna/) for the continuous benchmarking of programs for RNA secondary structure prediction. The CompaRNA project is analogous to the CASP (Critical Assessment of Techniques for Protein Structure Prediction) and LiveBench initiatives, which allowed for a breakthrough in the field of protein structure prediction. I hope that the results of the benchmarks for the prediction of protein-RNA interactions and the prediction of RNA secondary structure will stimulate developers of such methods for trying new methodologies which will make predictions more accurate
- …
