Modelación de estructuras no-convencionales de ADN...
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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)
[email protected] 27 de Enero, 2012
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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)
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Calladine, 1998
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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
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G-cuádruple en el genoma
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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
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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).
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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
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•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
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Predicción de estructura
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5’-ACAGTAGAGATGCTGCTGAGGGGGGGGTGTGCTTCAAGC-3'
3’-TCTACGACGACTGGGGGGGGACACGAAGTTCGCTACTGT-5'
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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
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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?
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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)
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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
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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
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Análisis de minimizaciones de una de las especies - rmsd
• Muestra el cambio de un átomo desde su posición inicial utilizando una escala de colores
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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.
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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
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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
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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
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Muchas gracias por su atención
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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)
[email protected] 27 de Enero, 2012