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Control of RNA function by conformational design

Stefan Badelt

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Zentrum für Molekulare Biologie

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (Dissertationsgebiet: Molekulare Biologie)

Betreuer*in

Ivo Hofacker

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DOI

10.25365/thesis.40950

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29911.51522.857270-3

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

RNAs (Ribonukleinsäuren) spielen eine tragende Rolle im Lebenszyklus jeder Zelle. Sie bilden das Bindeglied zwischen dem genetischen Bauplan (DNA) und den daraus erzeugten Proteinen und übernehmen eine Vielzahl von regulatorischen Aufgaben. Diese Aufgaben werden großteils von der Molekülstruktur bestimmt, welche wiederum auf Grund experimenteller Daten und der daraus abgeleiteten physikalischen Regeln vorhergesagt werden kann. Im Rahmen dieser Dissertation werde ich vier Projekte vorstellen, die sich mit RNA Design und der Faltungskinetik interagierender RNAs beschäftigen. Zwei der Projekte sind bereits in öffentlichen Journalen erschienen, für die beiden anderen werden vorläufige Resultate präsentiert die als Basis für eine separate Publikationen dienen. Die erste Publikation beschäftigt sich mit dem Design von RNAs mit katalytischer Funktion, sogenannten Ribozymen. Das Augenmerk liegt dabei auf Sequenzen die sich selbst prozessieren können, sodass mehrere Kopien des selben Moleküls aneinandergehängt werden. Die Resultate zeigen das Potential von RNAs im Ursprung des Lebens, nämlich dass präbiologische RNA-Genome aus kürzeren Sequenzen gebaut werden konnten. In der zweiten Publikation wurden RNAs designed, die die Möglichkeit haben Kopien von sich selbst von einer aktiven Struktur in eine andere umzufalten. Solche Mechanismen sind bisher nur für Proteine beschrieben worden. Die sogenannten Prionen sind Auslöser neurologischer Erkrankungen, z.B. von Creutzfeldt-Jakob. Biotechnologish, können diese RNAs als molekulare Sensoren eingesetzt werden, aber sie können auch dabei helfen die molekularen Mechanismen von Prionen-Krankheitserregern besser zu verstehen. Eine zentrale Herausforderung der oben genannten Publikationen bestand darin RNA-RNA Interaktionen zu modellieren. Die Konzentrationsabhängikeit der beteiligten Moleküle macht eine genaue Vorhersage der kinetischen Prozesse komplizierter als für intramolekulare Faltung. Die Entwicklung eines Programs zur Modelierung von intermolekluarer Faltunskinetik, ermöglicht detailierte Simulationen von kurzen interagierenden RNAs. Das letzte Kapitel betrifft die Synthese von RNA in der Zelle, i. e. co-transkriptionelle Faltung. Anhand eines Beispiels wird beschrieben, wie man den Einfluss kleiner Metaboliten in die Simulation von co-transcriptioneller Faltung einbeziehen kann. Das Beispiel wurde im Kontext eines Buchkapitels zur Modellierung von Riboswitches verwendet. Zusätzlich wird hier ein neues Programm präsentiert, DrTransformer , um cotranscriptionelle Faltung auch für längere RNAs mit höherer Genauigkeit vorherzusagen, als es bisher möglich war.

Abstract

(Englisch)

RNAs play an essential role in the life cycle of every cell. RNA is not only the intermediate between the genetic blueprint (DNA) and the proteins produced, but also performs a variety of regulatory tasks. The function of an RNA molecule is determined by its structure, which can be reasonably well predicted following the biophysical rules implemented in the most popular RNA structure prediction programs. I present four projects, two of them in form of a peer-reviewed publication, the other two are unpublished work with preliminary results. The first publication describes how RNAs with catalytic function, ribozymes, can be designed to concatenate multiple copies of themselves (i. e. they self-polymerize), into longer molecules. This is important since the RNA World hypothesis claims that RNA emerged before DNA and proteins. It has, however, been hard to imagine how sufficiently long RNA molecules could exist in the RNA world. Our results suggest how pre-biological RNA genomes may have been built up by concatenation of shorter sequences. The second publication shows conformational switching of RNAs through the interaction of two copies. Such a conformational self-replication was so far known only from proteins, where it forms the molecular basis of prion diseases such as Creutzfeldt-Jakob. The artificial RNAs designed in this project could help to better understand the mechanism of such diseases, but might also be useful as molecular sensors and amplifiers in biotechnology. A central challenge to both publications mentioned above are RNA-RNA interactions. While we have used thermodynamic criteria combined with existing algorithms for intramolecular folding kinetics to design sequences, we are now developing new algorithms to model folding kinetics of interacting RNAs. This problem is much more complicated by the fact that intermolecular base-pairing is concentration dependent. Preliminary results to model the kinetics of small interacting RNAs are promising and will serve as a basis for a separate, peer-reviewed publication. The last major topic addressed in this thesis concerns the synthesis of RNA molecules in cells, i. e. cotranscriptional folding. We first show how small metabolites can be included into an existing algorithm to model intramolecular folding during transcription. We have published these results also in the context of a recent book chapter on the computational modeling of riboswitches. However, the approach is limited to short RNA transcripts and we have now developed a faster heuristic to model cotranscriptional folding for longer molecules. The results presented from this new program, DrTransformer, will also be used in a separate, peer-reviewed publication.

Autor*innen

Stefan Badelt

Haupttitel (Englisch)

Control of RNA function by conformational design

Paralleltitel (Deutsch)

Funktionsspezifisches Strukturdesign von RNA Molekülen

Publikationsjahr

2016

Umfangsangabe

xiii, 160 Seiten

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Daniel Merkle ,

Bojan Zagrovic

Klassifikationen

35 Chemie > 35.06 Computeranwendungen ,

35 Chemie > 35.75 Nukleinsäuren ,

42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie

AC Nummer

AC13081379

Utheses ID

36256

Studienkennzahl

UA | 794 | 685 | 490 |

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Schlagwörter