Vakgroep Organische Chemie Onderzoeksgroep NMRSTR De structuur en stabiliteit van natuurlijke en gemodificeerde deoxyoligonucleotiden Proefschrift voorgelegd tot het behalen van de graad van Master in de Chemie door Dieter BUYST Academiejaar 2010-2011 Promotor: Prof. Dr. Annemieke Madder Copromotor: Prof. Dr. José Martins Begeleiders: Bjorn Van Gasse – Vicky Gheerardijn
137
Embed
De structuur en stabiliteit van natuurlijke en …...o.a. met de fameuze ‘contaminatie’, stond hun deur altijd open en namen ze de tijd om mij te helpen en alles duidelijk uit
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Vakgroep Organische Chemie Onderzoeksgroep NMRSTR
De structuur en stabiliteit van natuurlijke en gemodificeerde deoxyoligonucleotiden
Proefschrift voorgelegd tot het behalen van de graad van Master in de Chemie door
Dieter BUYST
Academiejaar 2010-2011
Promotor: Prof. Dr. Annemieke Madder Copromotor: Prof. Dr. José Martins
Begeleiders: Bjorn Van Gasse – Vicky Gheerardijn
Vakgroep Organische Chemie Onderzoeksgroep NMRSTR
De structuur en stabiliteit van natuurlijke en gemodificeerde deoxyoligonucleotiden
Proefschrift voorgelegd tot het behalen van de graad van Master in de Chemie door
Dieter BUYST
Academiejaar 2010-2011
Promotor: Prof. Dr. Annemieke Madder Copromotor: Prof. Dr. José Martins
Begeleiders: Bjorn Van Gasse – Vicky Gheerardijn
Dankwoord
1e jaar bachelor, op het einde van de 1e dag na de 1e les fysica maakte ik de bedenking of chemie wel
de juiste studiekeuze was. Nu, na het schrijven van deze thesis, lijkt het alsof die 5 jaar voorbij zijn
gevlogen en ben ik er blij om dat ik die dag heb besloten om toch verder te doen. Maar, zoals altijd,
voltooi je zoiets niet op je eentje en er zijn genoeg mensen die me geholpen hebben over de jaren
heen. Ook bij het schrijven van dit werk zijn er mensen die me hebben geholpen en die ik hierbij wil
bedanken.
Eerst en vooral wil ik Prof. José Martins en Prof. Annemieke Madder bedanken voor de kans die zij
me gegeven hebben om binnen hun onderzoeksgroepen deze thesis aan te vatten. Beiden hebben
mij geholpen om alle ‘buystismen’ te stroomlijnen en wanneer ik vragen of moeilijkheden had, zoals
o.a. met de fameuze ‘contaminatie’, stond hun deur altijd open en namen ze de tijd om mij te helpen
en alles duidelijk uit te leggen.
Mijn twee begeleiders, Bjorn en Vicky, ben ik ook zeer dankbaar voor alle geduld en hulp die ze mij
geboden hebben gedurende dit project. Zij stonden ook mee in voor de toffe sfeer die er heerste op
de hipste bureau van de S4 of in het labo, zij het o.a. met de beruchte wekelijkse verkiezing of de
leuke babbels over een gedeelde passie voor muziek (nu ja, eurosong uitgezonderd).
Daarnaast wil ik graag nog Tim en Katrien bedanken voor het aanleren van een aantal nieuwe
praktische vaardigheden en de vrolijke noten tussendoor. Ook wanneer ik dacht dat ik iets had
mispeuterd aan de 700, stond Tim altijd paraat om mij gerust te stellen.
De altijd goed gehumeurde Freya was ook altijd beschikbaar voor een snelle vraag, een toffe babbel
of een mopje tussendoor, net als Katelijne en als ik een probleem had waar niemand mee kon
helpen, was er Davy die wel een passend antwoord wist.
Een thesis schrijven onderga je nooit alleen, en op momenten dat het tegenzat, waren er altijd mijn
klasgenoten Matthias, Gertjan, Evelien, Sven en Korneel waarbij ik even mijn zegje kon doen.
Ten slotte wil ik nog een aantal mensen bedanken die me nauw aan het hart liggen, zoals Lise die
steeds geduldig wachtte tot ik klaar was met werken aan ‘die thesis’, Greet en Bruno met hun opvang
voor thesisstudenten en last but not least, mijn papa voor de kans die hij me heeft gegeven om die 5
jaar aan de ‘unief’ te kunnen doorbrengen.
i
Inleiding
In dit werk wordt dieper ingegaan op de studie van DNA duplexen aan de hand van NMR. In het
eerste gedeelte is er tijdens de temperatuurstudie uitsluitend gewerkt met natuurlijke
oligonucleotiden terwijl in het tweede deel een opstap wordt gemaakt naar de synthese en studie
van gemodificeerde DNA duplexen.
Dit werk kent twee overkoepelende delen, NMR en synthese, en heeft de volgende indeling:
In hoofdstuk 1 wordt de algemene context geschetst waarin dit werk kadert, het ontwikkelen van
een serine protease mimic op basis van een DNA scaffold.
Hoofdstuk 2 bevat de materialen en methoden die werden toegepast om de NMR temperatuurstudie
en toekenning van de verschillende DNA sequenties uit te voeren.
In hoofdstuk 3 wordt dieper ingegaan op de toekenning van de duplexen aan de hand van 2D NOESY
spectra en de bijhordende T1‐metingen.
Hoofdstuk 4 handelt over de eigenlijke temperatuurstudie waar de verschillende resultaten worden
geïnterpreteerd aan de hand van vooraf besproken theoretische aspecten en modellen.
Hoofdstuk 5 is een zijsprong van de temperatuurstudie in hoofdstuk 4. Hierin wordt een poging
ondernomen om via het fenomeen van cryorestrictie meer informatie te verkrijgen die behulpzaam
kan zijn bij de toekenningen van de bestudeerde oligonucleotiden.
Ten slotte in hoofdstuk 6 wordt dieper ingegaan op de synthese van gemodificeerde DNA duplexen,
die reeds een eerste stap zijn richting de eigenlijke serine protease mimic. Hier wordt tevens een
studie uitgevoerd betreffende de smelttemperaturen van alle bestudeerde en gesynthetiseerde
duplexen die kunnen gecorreleerd worden met eerder gemaakte observaties.
Peptidebindingen staan over het algemeen bekend als zeer stabiele bindingen, voornamelijk door de
resonantiestructuur van dit type binding. Mede dankzij deze delokalisatie van het vrije
elektronenpaar zal enerzijds de carbonylfunctionaliteit gekenmerkt worden door een afgenomen
elektrofiel karakter, anderzijds zal de binding tussen het carbonylkoolstofatoom en het stikstofatoom
van het volgende aminozuur in de binding versterkt worden door een partieel dubbel
bindingskarakter. Een willekeurige peptidebinding met overeenkomstige resonantiestructuur kan
worden voorgesteld zoals in figuur 1.1.
Omwille van de stabiliteit van deze peptidebindingen is er nood aan enzymen, die instaan voor het
afbreken van eiwitten en die het breken van deze bindingen vereenvoudigen. Zo kunnen serine
proteasen dit gebrek aan reactiviteit overwinnen door gebruik te maken van een reactieve,
nucleofiele hydroxylgroep, afkomstig van een serine residu aanwezig in de actieve site. Deze klasse
van enzymen is bovendien selectief voor peptidebindingen die gelegen zijn naast aminozuren met
grote hydrofobe zijgroepen, dit door de aanwezigheid van een hydrofobe binding ‘pocket’ die instaat
voor het tot stand komen van hydrofobe contacten met deze hydrofobe zijketens [1].
De katalytische site, waar deze geactiveerde hydroxylgroep kan worden teruggevonden, komt tot
stand door de samenwerking tussen drie verschillende aminozuren: Ser195, His57 en Asp102. Deze
drie aminozuren vertonen een unieke samenwerking via een onderling waterstofbrugnetwerk, zoals
schematisch geïllustreerd in figuur 1.2, ook wel de katalytische triade genoemd.
Het carboxylaatanion van Asp102 (pKa 2,02) is bij fysiologische pH negatief geladen en kan, mede
door de proximiteit in het enzyme, een waterstofbrug vormen met het imidazool amino proton van
His57 . Hierdoor vindt er een oriëntatie plaats van het vrije elektronenpaar van het andere
stikstofatoom van His57 naar het hydroxylproton van Ser195, hetgeen uiteindelijk zorgt voor een
activatie van deze hydroxylgroep. In werkelijkheid blijkt het mechanisme iets subtieler te zijn: het
Figuur 1.1 Resonantiestructuur peptidebinding
Figuur 1.2 Katalystische triade uit α‐chymotrypsine met ladingsstabilisatie mechanisme
2
waterstofbrugnetwerk komt enkel tot stand bij de binding van een geschikt subtraat en bijgevolg ook
de activering van Ser195. Dit is in overeenstemming met het ‘induced fit’‐model waarbij centraal
staat dat de actieve site zich lichtjes aanpast bij de binding van het substraat, hetgeen uiteindelijk
zorgt voor een sterkere interactie tussen beide [2]. Verder komt de activatie van Ser195 zelf niet neer
op een deprotonatie (pKa~15), maar omvat eerder een sterke polarisatie van de O‐H‐binding door de
actie van His57, wat uiteindelijk leidt tot een toename in nucleofiel karakter van het beschouwde
zuurstofatoom. De hydrolyse van peptidebindingen wordt dus vergemakkelijkt door een
ladingsstabilisatie mechanisme. De ruimtelijke situering van de triade in de volledige structuur van α‐
chymotrypsine kan worden voorgesteld zoals het geval is in figuur 1.3. De drie residuen van de
katalytische triade zijn in de detailweergave aangeduid volgens de kleurcode rood (zuurstof), groen
(koolstof) , blauw (stikstof) terwijl de molecule in het donkerblauw overeenkomt met een inhibitor
gebonden in de actieve site. Hiermee kan tevens worden aangetoond dat de drie essentiële
functionaliteiten van de katalytische triade zich wel degelijk aan het oppervlak bevinden in de
“binding pocket” van het enzym.
1.2Noodaan‘enzymemimics’
Er zijn verschillende redenen waarom men zou trachten een katalytisch systeem, zoals het
bovenstaand enzyme, na te bootsen. Een eerste reden bestaat erin dat het toelaat na te gaan wat de
individuele bijdrage is van iedere functionaliteit aan het volledige biokatalytische proces: een inzicht
in de effectieve werking van biomoleculen is dan ook zeer belangrijk wanneer men artificiële
katalysatoren wil ontwerpen die meer robuust zijn dan de oorspronkelijke enzymen [3]. Ook andere
aspecten, zoals eventuele preorganisatie van groepen onderling, voorafgaand aan het eigenlijke
katalyseproces, kunnen worden opgehelderd met behulp van een vereenvoudigd, kunstmatig
katalytisch systeem of katalyse ‘mimic’ . Het potentiele synthesegemak van dit systeem kan ook een
van de grote voordelen zijn: eventuele vereenvoudigingen in het syntheseproces dienen niet ten
Figuur 1.3 Positie (rood) en uitvergroting van de katalytische triade Asp102, His57 en Ser195 in α‐chymotrypsine
PDB identificatienummer 1AFQ. Deze figuur werd geproduceerd met PyMol 1.3
3
koste te gaan van de activiteit terwijl dit bij enzymen wel het geval is daar aanpassingen in de
primaire structuur hun weerslag kunnen hebben op de latere structuren waardoor de activiteit
mogelijk verloren gaat. Historische voorbeelden van ‘enzyme mimics’ terug te vinden in de literatuur
zijn legio:
De eerste systemen geïntroduceerd als algemeen
‘kunstmatig’ enzyme waren gebaseerd op een cyclodextrine
structuur [4] en worden verder ook specifiek toegepast in de
ontwikkeling van een mimic voor chymotrypsine (D’Souza et
al. [5]). Samen met deze ‘mimic’ werd er ook een mogelijk
mechanisme voorgesteld omtrent de katalytische activiteit.
Er werd echter aangetoond dat dit mechanisme niet
optreedt: de aanwezige imidazool‐ en
carboxylaatfunctionaliteit hebben geen katalytische activiteit
maar belemmeren juist de reactie door het optreden van
sterische hinder. Deze uitleg wordt gesteund door de
observatie dat β‐cyclodextrine alleen de hydrolyse vier maal
sneller katalyseert dan het geval is bij het voorgestelde
mimicsysteem [6], [7].
Verder stelden Cram et al. een ‘spherand’ gebaseerd
model voor als mimic van chymotrypsine met de
functionele groepen verantwoordelijk voor de biologische
functie verbonden aan de algemene structuur van de
macrocylische ring [8]. De ringstructuur zelf, welke dienst
doet als bindingssite, is in staat om selectief
alkylammonium gebaseerde ionen te complexeren. De
molecule zelf zoals hier voorgesteld is nooit volledig
gesynthetiseerd. Bijgevolg is de katalytische activiteit van
dit model nooit uitvoerig getest. Echter het feit dat de
gedeeltelijke synthese alleen al minstens 30 stappen
vereist en een magere opbrengst kent van 0,9% zijn niet
echt hoopgevende vooruitzichten voor de verdere
ontwikkeling van dit type mimic.
Nog een andere bekende methode is gebaseerd op het
ontwerp van een (cyclisch) peptide dat de aminozuren, die
de actieve site van het eiwit vormen, in een geschikte oriëntatie en gewenste onderlinge
afstand draagt. Deze residuen zijn in de structuur rechtsreeks met elkaar verbonden aan de
hand van peptidebindingen. Deze aanpak staat ook bekend als de ‘surface simulation’
synthesis methode en het peptide dat hiervan het resultaat is, wordt een ‘pepzyme’
genoemd. Ondermeer Atassi en Manshouri publiceerden een voorbeeld van dergelijke
aanpak met een mimic van de actieve site van chymotrypsine [9]. Figuur 1.6 toont een
voorbeeld van dergelijke pepzymes die de actieve site van α‐chymotrypsine nabootsen. De
Figuur 1.4 Enzymemimic van de katalytische triade via cylcodextrinescaffold
Figuur 1.5 Synthetische mimic voorgesteld door Cram. Molecule enkel gesynthetiseerd zonder carbonzuurfunctie in lichtgrijs
4
residuen aangeduid in het lichtgrijs
vervullen de rol van actieve site terwijl
de andere residuen overeenkomen met
glycine “spacers” gebruikt voor het
verkrijgen van de geschikte afstanden
tussen actieve residuen. Deze mimic
vertoont volgens de gepubliceerde
resultaten goede activiteit ten opzichte
van ester substraten als ook t.o.v.
eiwitten. Bovendien zou dit mimic‐
systeem nog katalytische activiteit
vertonen bij temperaturen waarbij
chymotrypsine zelf over geen of heel
beperkte activiteit beschikt. Aan de hand
van inhibitie en kinetische studies zou men kunnen aantonen hebben dat het
werkingmechanisme van dit model sterk analoog zou zijn aan dat van chymotrypsine. Latere
papers, zoals onder andere [10] hebben nooit de eerder geclaimde resultaten betreft de
katalytische activiteit van deze mimic kunnen bevestigen. Hieruit wordt besloten dat de
aanwezigheid van de benodigde functionaliteiten niet voldoende is voor het verkrijgen van
katalytische activiteit, maar dat hun onderlinge precieze en stabiele oriëntatie ook
noodzakelijk zijn.
Een laatste voorbeeld, ontwikkeld in de groep van prof. Dr. Madder, maakt gebruik van een
drietands basisstructuur als startpunt voor serine protease mimics. Deze bestaan uit drie
onafhankelijke peptide ketens gekoppeld aan een centrale core. Elke peptide keten bevat
dan één van de drie benodigde residuen uit de katalytische triade, waarbij de specifieke
ruimtelijke oriëntatie van de drie afzonderlijke ketens de nabijheid en interacties tussen de
verschillende katalytische residuen gaat bevorderen [11]. De synthese van bibliotheken met
potentiële serine protease modellen zoals hier kort weergegeven wordt momenteel nog
onderzocht.
Figuur 1.7 Serine protease mimic op basis van 1ste generatie tripodale scaffold
Figuur 1.6 Pepzyme als mimic van chymotrypsine ontwikkeld aan de hand van de “surface simulation”
methode
5
Dit huidig werk kadert in een groter onderzoek naar een nieuwe variant van dergelijke enzyme
mimics waarbij analoog gebruik wordt gemaakt van de drie benodigde katalytische residuen uit de
actieve site van α‐chymotrypsine nl. serine, histidine en aspartaat. Het grote verschil met voorgaand
werk is evenwel dat deze worden ingebouwd in een andere biologische basisstructuur: DNA. Deze
structuur heeft als grootste voordeel dat de manier waarop twee strengen met elkaar zullen
koppelen, gegeven de opeenvolging van de verschillende basen, volledig kan worden voorspeld.
Daarnaast is de sterk pregedefinieerde structuur ook een groot pluspunt, wat van DNA een
uitstekend skelet of ‘scaffold’ maakt. Het grootste nadeel van deze scaffold daarentegen is het
gebrek aan een grote diversiteit van de bouwstenen en daarmee samenhangend het gebrek aan
diverse chemische functionaliteiten, nodig voor de beoogde katalyseactiviteit. Dit laatste nadeel is
duidelijk niet het geval bij eiwitten. Een van de mogelijke manieren om de chemische diversiteit van
nucleïnezuren te vergroten, en zo dus ook het katalytische potentieel, is het inbouwen van
gemodificeerde DNA bouwstenen om op die manier de drie benodigde residuen te introduceren in
de DNA structuur. Afhankelijk van de wijze waarop deze worden ingebouwd, kunnen dankzij de
structuur van de scaffold, opnieuw de nodige interacties en nabijheid tussen de residuen tot stand
worden gebracht noodzakelijk voor het verkrijgen van de katalytische activiteit. Gezien het belang
van de DNA structuur in het tot stand komen van deze zogenaamde deoxyribozymen, wordt kort
ingegaan op de algemene structuur van DNA , waarna dieper wordt ingegaan op de werkwijze voor
de introductie van gemodificeerde bouwstenen en de daarmee samenhangende praktische
vereisten.
1.3Bouwstenenvannucleotidenennucleosiden
1.3.1 AlgemeneopbouwDNA
DNA behoort tot de klasse van de nucleïnezuren. Een nucleïnezuur kan beschouwd worden als een
macromolecule opgebouwd uit een aantal verschillende nucleotide‐bouwstenen, net zoals een
polymeer kan bestaan uit verschillende monomeren. Een nucleotide is zelf opgebouwd uit 3
verschillende bouwstenen, namelijk een fosfaatgroep, een suiker en één van de vier mogelijke,
stikstofbevattende heterocyclische basen: adenine, guanine, cytosine en thymine. Buiten de
verschillende mogelijke basen, zijn de overige bouwstenen nl. de fosfaatgroep en het suiker
(deoxyribose of ribose) identiek voor alle nucleotide‐eenheden in een DNA of RNA‐sequentie, zoals
kan gezien worden in figuur 1.8.
Figuur 1.8 Fosfaatgroep met ribose‐eenheid
Figuur 1.9 Stereochemie van een natuurlijk β‐nucleoside
O4'
C4'
C3' C2'
C1'Base
O3'
C5'
O5'
P
O3'
O O
O4'
C4'
C3' C2'
C1'
Base
HO
C5'HO
H
H
H
6
De individuele nucleotiden zijn in een nucleïnezuur aan elkaar verbonden op een lineaire manier aan
de hand van een eigen fosfaatgroep die gebonden is aan de 5’‐positie van het suiker, met de 3’ OH‐
functionaliteit van het voorafgaand nucleotide. In het geval van RNA wordt thymine vervangen door
uracil en draagt de suiker nog een extra hydroxylgroep op het C2’‐koolstofatoom.
De ‘glycosidische binding’ vormt de binding tussen het suiker en de base van éénzelfde
oligonucleotide en kan zowel α of β ingeplant zijn. De stereochemie van deze binding is wel degelijk
van belang. In natuurlijke nucleïnezuren is de configuratie van deze binding altijd β, wat er op neer
komt dat de glycosidische binding altijd boven het vlak van het suiker staat, in dezelfde richting als
het C5’‐koolstofatoom. In de volledige oligonucleotidesequentie zal het O3’‐atoom zich aan de
onderkant bevinden ten opzichte van het vlak van het suiker en dus tegengesteld aan de ruimtelijke
situering van de base. De ruimtelijke configuratie van de substituenten op het suiker kan voor een β‐
nucleoside worden voorgesteld zoals in figuur 1.9.
De basen zijn heterocyclische moleculen met aromatisch karakter en zijn bijgevolg individueel
volledig vlak qua structuur. Afzonderlijk worden ze verder ingedeeld in de pyrimidine basen thymine
en cytosine en de purine basen guanine en adenine. De structuur van de verschillende basen kan
worden teruggevonden in figuur 1.10.
Figuur 1.10 De vijf heterocyclische basen van DNA en RNA
Nucleïnezuren of oligonucleotides maken gebruik van éénlettercodes voor de vijf verschillende
basen en verder ook voor het aanduiden van de verschillende nucleotiden in een bepaalde
Adenine Guanine
Cytosine Thymine Uracil
7
sequentie. Een groot voordeel van deze benadering is dat de vrij uitgebreide structuur van DNA
duplexen eenvoudig kan worden voorgesteld.
Tenslotte kan nog worden opgemerkt dat volgens conventie oligonucleotidesequenties worden
voorgesteld vertrekkende van het 5’‐koolstof (links) naar het 3’‐koolstof (rechts), zoals ook het geval
zal zijn in de verschillende sequenties die hier aan bod komen. Bij de synthese wordt er gewerkt in de
omgekeerde richting maar dit komt later in verder detail nog aan bod, zie hoofdstuk 6, paragraaf
6.4.2.1.
1.3.2 Basenparingenduplexvorming
De bepaling van de karakteristieke DNA structuur was oorspronkelijk gebaseerd op rudimentaire
modellen en X‐straaldiffractiepatronen. Bijkomende informatie afkomstig uit chemische analyses,
uitgevoerd door Chargaff [12], toonden bovendien aan dat het aantal adenine basen steeds gelijk
was aan het aantal thymine basen en dit analoog het geval was bij de basen cytosine en guanine.
Beide aspecten werden gebruikt door Watson en Crick als bewijs om te besluiten dat DNA bestaat
uit twee volledig complementaire polynucleotideketens die rond elkaar wikkelen met de vorming van
een dubbele helix [13]. Binnen de DNA‐structuur wordt telkens een purine met pyrimidine base bij
elkaar gehouden door waterstofbruggen met de vorming van een basenparen. Zo komen de basen
adenine‐thymine samen voor in een complementair basenpaar via vorming van twee
waterstofbruggen en guanine‐cytosine, het andere mogelijke basenpaar, met de vorming van drie
waterstofbruggen, zoals voorgesteld wordt in figuur 1.11.
Deze waterstofbrugvorming kan gezien worden als de voornaamste interactie die de uiteindelijke
duplexstructuur zal stabiliseren; het is echter niet de enige. Zo is er ook nog de π‐π stacking interactie
tussen de verschillende basenparen onderling die zorgt voor extra stabiliteit. Verder zijn er ook nog
externe factoren die de duplexstructuur extra kunnen stabiliseren, zoals onder andere de
aanwezigheid van zouten. Met name tweewaardige ionen, zoals bv Ca2+ of Mg2+ , zijn in staat om de
fosfaatruggegraat extra te stabiliseren, daar deze negatief geladen is (zie figuur 1.8). Via
A:T
G:C
Figuur 1.11 Watson‐Crick waterstofbrugvorming
8
elektrostatische interacties zorgen deze ionen voor een gereduceerde elektrostatische repulsie
tussen de verschillende strengen onderling, wat resulteert in een stabielere structuur.
1.3.3 Baseenbasenpaarflexibiliteit
De individuele basen in nucleïnezuren zijn vlak, gezien het aromatische karakter, maar hoeven in een
basepaar niet noodzakelijkerwijs in eenzelfde vlak te liggen, zodat een zekere flexibiliteit kan worden
verwacht. Deze wordt gedeeltelijk bepaald door de aard van de beschouwde basen en basenparen
maar is het meest afhankelijk van de directe omgeving. Zo kan er bij een sequentie van bv. twee
opeenvolgende basenparen, verwacht worden dat wanneer één basenpaar een lichte ’twist’
vertoont naar links of rechts het bovenstaande of onderliggende basepaar ook deels zo’n ‘twist’ zal
vertonen door de eerder vernoemde π‐π stacking interacties die optreden tussen deze
opeenvolgende basen.
Om deze geometrische relaties te kunnen beschrijven tussen individuele en opeenvolgende
basenparen zijn er een aantal rotationele en translationele parameters beschreven die oorspronkelijk
werden gedefinieerd in 1989 in het zgn. ‘Cambridge Accord’ en in zijn opvolger uit 1999: het
‘Tsukuba Accord’ [14].
Een volledige beschrijving van deze verschillende parameters is hier niet aan de orde, maar er
worden bij wijze van voorbeeld twee verschillende mogelijkheden voor individuele basenparen kort
besproken [15]:
Propeller twist (ω): deze ‘afwijking’ kan het best beschreven worden door te vertrekken van
de situatie waar er geen propeller twist optreedt; in deze situatie liggen beide basen in
hetzelfde horizontale vlak. Deze situatie staat ook wel bekend als de ‘zero propeller twist’.
Wanneer echter één van de basen een zekere kanteling (rotatie rondom een as in het vlak en
in het verlengde van de basepaar) vertoont uit het vlak, dan kan men wel degelijk spreken
van een hoge of lage propeller twist naargelang van de grootte van de kanteling.
Buckle (κ): zoals de voorgaande vervorming kan deze beschreven worden als een afwijking
van het basenpaar t.o.v. de situatie waarbij ze allebei in hetzelfde horizontale vlak liggen. De
vervorming is hier echter concaaf (hol) of convex (bol). Ook is een verandering in ‘buckle’
mogelijk voor opeenvolgende basenparen, deze situatie wordt dan aangeduid als ‘cup’. Cup
wordt gedefinieerd als het verschil in ’buckle’ tussen een bepaalde groep van basenparen en
de daaropvolgende groep.
Figuur 1.12 Schematische weergave buckle (afkomstig van image library of Biological Macromolecules)
Figuur 1.13 Schematische weergave propellor twist (afkomstig van image library of Biological Macromolecules)
9
1.3.4 Suikerpucker
Naast het feit dat de basenparen een zekere flexibiliteit vertonen, heeft ook de deoxyribose suiker
vijfring een niet‐vlakke structuur. Deze afwijking ten opzichte van een planaire vijfring staat bekend
als ‘puckering’. Deze ’puckering’ kan volledig beschreven worden aan de hand van de vijf
endocyclische torsiehoeken, zoals aangeduid in figuur 1.12.
Figuur 1.14 De vijf interne torsiehoeken in ribose
De oorsprong van deze ‘puckering’ kan gevonden worden in het optreden van niet‐gebonden
interacties tussen de substituenten op de vier koolstofatomen van de ring en er valt te verwachten
dat de energetisch meest stabiele conformatie diegene zal zijn met alle substituenten zo ver mogelijk
van elkaar verwijderd. Verder kan er ook verwacht worden dat verschillende substituenten
aanleiding zullen geven tot verschillende vormen van puckering. In principe is er een heel continuüm
van puckers die in elkaar kunnen overgaan en die van elkaar gescheiden zijn via diverse
energiebarrières, zoals bv. ook het geval is bij de diverse conformaties van butaan.
Het is dan ook geen verrassing dat er zowel via X‐straal diffractie als NMR een hele variëteit aan
geometriën kan worden waargenomen. Het komt echter meer voor dat twee opeenvolgende atomen
afwijken uit de vlakke ringstructuur, waarbij zij zich aan weerszijden bevinden van het vlak
gedefinieerd door de resterende drie atomen. Gewoonlijk heeft ook één van de twee atomen een
grotere afwijking ten opzichte van dat vlak als het andere atoom, wat uiteindelijk resulteert in een
twist conformatie. Als de grootste afwijking gebeurt in dezelfde richting als de C4’‐ en C5’‐
koolstofatomen, dan kan er gesproken worden van een ‘endo‐conformatie’, gelijkaardig als de
afwijking in tegengestelde richting gebeurt van de C4’‐ en C5’‐ koolstofatomen is het een ‘exo‐
conformatie’. De meest geobserveerde conformaties bij natuurlijke oligonucleotiden zijn ofwel sterk
gelijkaardig aan een C2’‐endo of C3’‐endo type conformatie, zoals (enigszins overdreven) aangegeven
in figuur 1.15 en 1.16.
O4’
C1’
C2’C3’
C4’
τ0
τ1
τ2
τ3
τ4
Figuur 1.15 C2’ endo conformatie Figuur 1.16 C3’ endo conformatie
10
Er zijn verschillende aspecten die mee bepalen welke pucker het meest zal voorkomen, zoals het
type base gebonden aan de riboses. Zo verkiezen de natuurlijke purine basen een C2’‐endo pucker,
terwijl pyrimidines eerder een C3’ endo pucker vertonen. Ten slotte kan er nog opgemerkt worden
dat veranderingen in de suiker‐pucker belangrijke determinanten zijn van oligo‐ en polynucleotide
structuren aangezien ze leiden tot wijzigingen in de oriëntatie van C1’, C3’ en C4’ substituenten, die
op hun beurt weer leiden tot significante veranderingen in de backbone conformatie en ruimtelijke
structuur van de nucleotidesequentie. Bovenstaande zaken zijn de voornaamste maar zeker niet alle
mogelijke conformationele vrijheidsgraden, meer informatie over deze basisstructuren kan worden
teruggevonden in de literatuur [15], [16].
1.3.5 AlgemeneDNA‐structuur
Zoals eerder vermeld, vormen complementaire poly‐ of
oligonucleotiden een dubbele helix. Er zijn echter binnen deze
helixstructuur opnieuw verschillende mogelijkheden wat betreft
de uiteindelijke conformatie. De meest voorkomende (natuurlijke)
vorm van DNA is het zogenaamde B‐DNA (een 3D weergave kan
teruggevonden worden in figuur 1.17). Echter er bestaan ook
andere secundaire structuren, afhankelijk van de condities zoals
de aard van de positieve ionen die geassocieerd zijn met de DNA‐
structuur en de specifieke sequentie van basen. De twee meest
voorkomende conformaties naast B‐DNA zijn A‐DNA en Z‐DNA. A‐
DNA is een andere mogelijke structuur van DNA. Deze alternatieve
conformatie heeft 11 in plaats van 10 basenparen in één volledige
omwenteling en de basenparen liggen niet loodrecht ten opzichte
van de helicale as maar in een hoek van 20°. Een gelijkenis tussen
A‐DNA en B‐DNA is dat beide een rechtsdraaiende helicale
structuur bezitten. De A‐DNA structuur werd oorspronkelijk
teruggevonden in gedehydrateerde DNA stalen waarbij men
aannam dat dit louter een gevolg was de DNA
staalvoorbereidingsprocedure. Naast omstandigheden met een
lage vochtigheidsgraad, wordt dit type DNA structuur ook
teruggevonden in oplossingen waarbij de activiteit van het water
wordt verminderd door het toevoegen van diverse alcoholen.
Deze structuur wordt echter ook teruggevonden tijdens de
belangrijke biologische processen van transcriptie en replicatie
waarbij RNA‐DNA hybride structuren worden gevormd.
Een derde en laatste mogelijke DNA structuur is het zogenaamde
Z‐DNA. In tegenstelling tot de twee voorgaande structuren vertoont deze een linkshandige helicale
structuur. De Z‐DNA structuur kan beschouwd worden als een derivaat van de B‐DNA structuur die
wordt verkregen door een zijde van de fosfaatruggegraat 180° te draaien zonder de ruggegraat of
waterstofbruggen tussen de basen te breken. De ‘Z’ naamgeving is afkomstig van het zig‐zag motief
dat de fosfaatdiester backbone vertoont bekeken van de zijkant [16]. Z‐DNA kan dus worden
beschouwd als een polymorf van DNA maar dan met een beduidend hogere energie‐inhoud. Deze is
in zijn lineaire vorm minder stabiel dan zowel een A‐ als B‐DNA duplex. Dit type van duplex komt
Figuur 1.17 B‐DNA duplexstructuur
PDB identificatienummer 2JYK. Deze figuur werd geproduceerd met VMD
1.8.7
11
enkel voor bij hoge concentraties van zouten of alcoholen, dewelke ook noodzakelijk zijn voor het in
stand houden van deze structuur. Deze verminderen de repulsie tussen de fosfaatgroepen van de
complementaire strengen die in Z‐DNA veel dichter bij elkaar zitten dan het geval is bij B‐DNA. In de
natuur is er ook een verhoogde kans op het voorkomen van een dergelijke DNA structuur wanneer
de sequentie wordt gekenmerkt door een continue afwisseling van purine en pyrimidine basen.
Verder zou Z‐DNA een rol kunnen spelen in het mechanisme van genexpressie maar dit is nog altijd
onderwerp van onderzoek onder biochemisten.
Uit figuur 1.17 blijkt onmiddellijk dat, ongeacht de ruimtelijke vorm, de fosfaatruggengraat van beide
strengen de ruimte niet volledig inneemt maar dat er uitsparingen aanwezig zijn in de denkbeeldige
cilinder rond de duplex. Deze uitsparingen zijn bekend onder de naam van groeven en er kan een
onderscheid gemaakt worden tussen twee verschillende types: de grote groeve (‘major groove’) en
de kleine groeve (‘minor groove’). Het is in deze groeves dat zowel medicijnen als polypeptiden
(eiwitten) kunnen binden aan de DNA‐structuur. Nog een belangrijk aspect van DNA‐structuur
waarmee rekening moet worden gehouden, is de lading van de fosfaatruggegraat: bij fysiologische
pH draagt elke fosfaatgroep een negatieve lading. Deze lading, aanwezig op beide strengen, zorgt
voor een onderlinge repulsie en heeft tot gevolg dat wanneer peptiden of andere residuen willen
interageren met een duplex, positief geladen zijketens zullen moeten instaan voor de neutralisatie
hiervan. Zo is binnen de celnucleus bij eukaryoten de DNA structuur gecomplexeerd met histonen,
deze zijn positief geladen eiwitten, en ze staan in voor de neutralisatie van de negatief geladen
backbone.
Verder heeft een DNA molecule op zich een lengte die beduidend groter is dan zijn diameter, d.w.z.
dat de structuur zeer anisotroop is. Bovendien is de dubbele helixstructuur niet rigide en kan het op
zichzelf terugvouwen, zoals ook het geval is bij eiwitten wanneer deze opvouwen in hun tertiaire
structuren. De duplex, zoals hier besproken, is een gerelaxeerde structuur en zal geen ‘twist’
vertonen met uitzondering van de helicale twist. Dit sluit echter niet uit dat het voorkomen van
‘nieuwe twists’, die gepaard gaan met het optreden van ‘supercoiling’, niet mogelijk zou zijn [16].
De eerder vermelde conformationele aspecten spelen allemaal een rol in de uiteindelijk helicale
structuur van DNA, die sinds zijn ontdekking wel degelijk bekend is bij de meeste mensen. De
buitenste diameter van de (hier ideale) helix bedraagt in totaal 20 Å (2nm). De lengte van één
volledige omwenteling in de structuur is 34 Å (3.4nm) en bevat 10 basenparen (B‐DNA). De grote
groeve is zo’n 22 Å groot, naast de kleine groeve die iets meer dan helft bedraagt van deze
voorgaande (12 Å). A‐DNA daarentegen heeft een iets kleinere kleine groeve van zo’n 11 Å, terwijl de
grote groeve beduidend kleiner is en deze is bovendien ook onderhevig aan de temperatuur waarbij
deze wordt gemeten, gaande van 5 tot iets meer dan 12 Å. Bij metingen via vezel‐diffractie wordt
zelfs nog een kleinere waarde gevonden van zo’n 2,2 Å.
Z‐DNA is zoals eerder vermeld een linkshandige helix, ten opzichte van de andere twee
rechtshandige helices. Dit is echter niet het enige grote verschil. De N7 en C8 atomen van de
imidazoolring van guanine (en in mindere mate) de C5 atomen van cytosine puilen een beetje uit in
het oppervlak wat zou overeenkomen met de grote groeve, waardoor het oppervlak in het algemeen
ook een licht bol karakter verkrijgt. Met andere woorden, een Z‐DNA helix heeft totaal geen grote
groeve. Tegelijkertijd is de kleine groeve heel klein (zo’n 2 Å) maar tegelijkertijd heel diep (13,8 Å) en
wordt deze langs weerszijden omringd met fosfaatgroepen [15].
12
Een visueel overzicht van de drie voornaamste DNA helices, kan worden teruggevonden in figuur
1.18. De kleurencode is als volgt: stikstof (donkerblauw), koolstof (lichtblauw), zuurstof (rood), fosfor
(bruin), en waterstof (wit, de groene kleur bij Z‐DNA zijn nog solventmoleculen die niet konden
verwijderd worden en dus hier niet van belang zijn).
1.4Doelstellingen
1.4.1 DNA alsscaffold
Zoals eerder vermeld is het uiteindelijke doel van het onderzoek waarin deze thesis kadert de
ontwikkeling van een α‐chymotrypsine mimic gebaseerd op een DNA‐scaffold via de introductie van
de drie benodigde katalytische groepen: een imidazool, alcohol en carboxylaat functionaliteit. Op
deze manier verkrijgt men een aantrekkelijke combinatie van pregedefinieerde structurele
organisatie (duplexvorming) enerzijds en de aanwezigheid van katalytische groepen die fungeren als
Lewis basen of Lewis zuren anderzijds. De actieve site wordt hier gecreëerd door de combinatie van
twee gemodificeerde oligonucleotidesequenties van telkens veertien eenheden lang waarbij elke
streng één of meerdere modificaties draagt in het midden van de sequenties. De splitsing van de
peptidebindingen vindt dan plaats via deze functionaliteiten in de grote groeve van de DNA
structuur.
Preliminaire modellingstudies [17] hebben reeds aangetoond op welke posities de modificaties
moeten worden aangebracht opdat de verschillende functionaliteiten zich in elkaars buurt bevinden.
Er werd besloten om in de streng Ser‐modificaties te introduceren op T6 en T8, met daartussen een
His‐modificatie op T7. In de 2de streng wordt nog een Asp‐modificatie ingevoerd op T21.
Figuur 1.18 Overzicht van de verschillende DNA structuren. Deze figuur werd geproduceerd met VMD 1.8.7 (A‐DNA PDB identificatienummer 3QK4, B‐DNA PDB identificatienummer 3IXN, Z‐DNA PDB identificatienummer 3QBA)
A‐DNA B‐DNA Z‐DNA
13
Het centrale gedeelte (groen) is op een dergelijke manier
samengesteld dat de drie residuen zich voldoende dicht bij
elkaar bevinden opdat de vorming van een waterstofbrug
netwerk, nodig voor de biologische functie van de triade,
mogelijk zou zijn. Wat ook meteen opvalt is dat er twee
serine functionaltiteiten aanwezig zijn alhoewel er in de
oorspronkelijke actieve site slechts één aanwezig is. De
reden hiervoor is dat op deze manier de rotatie van de
histidine functionaliteit sterisch wordt gehinderd en,
indien de rotatie toch zou doorgaan, er een alternatieve
triade kan worden gevormd. Deze duplex bevat met
andere woorden een semi‐dimeer triade systeem. Wat
meteen ook opvalt is dat er een mismatch aanwezig is in
deze duplex: twee thymine basen ter hoogte van posities
8 en 21. Het voorkomen van de T‐T mismatch is een
gevolg van het feit dat initieel enkel met thymine
nucleosiden zal worden gewerkt voor het introduceren van de extra modificaties, dit om redenen van
synthetische toegankelijkheid. Deze twee basen zijn identiek en bijgevolg niet complementair met
elkaar. Ondanks het feit dat dit basenpaar geen ‘ideaal’ paar betreft is het toch mogelijk dat
waterstofbrugvorming tussen de twee residuen zal optreden: de lokale structuur en conformatie van
de duplex kan zich zodanig aanpassen dat er toch een interactie mogelijk is en in de literatuur wordt
dit ook bevestigd [18]. Zo is er via NMR en molecular modelling aangetoond dat deze centrale basen
betrokken zijn in “wobble” basenparing, die aanleiding geeft tot twee imino‐carbonyl
waterstofbruggen. Opmerkelijk genoeg zijn er voor dit type basenpaar twee mogelijke conformaties
die naast elkaar kunnen voorkomen in een snel evenwicht, waarbij de ene vorm (W↑) kan overgaan
in de andere (W↓) door een transla onele beweging zonder dat daar een opening van de
basenparen is vereist (zie figuur 1.21).
Figuur 1.20 Resultaat modelling actieve site, zie [17]
Figuur 1.19 Actieve site (groen) in DNA scaffold
5’-GACCATSerTHisTSerGCAGCG-3’3’-CTGGTA A TAspCGTCGC-5’
Figuur 1.21 W(↑) links, W(↓) rechts
14
Door deze vervorming van de ideale duplexstructuur zal de sterkte van deze niet‐covalente interactie
beduidend zwakker zijn dan een normale waterstofbrug. De samenstelling en plaatsing van de
overige basenparen daarentegen staat niet echt vast en er zijn aanpassingen mogelijk. De originele
DNA sequentie werd geïnspireerd op basis van eerder werk uitgevoerd in het kader van het
doctoraatswerk van Kristof Stevens, waarbij de keuze van de lengte van het beschouwde systeem om
deze vast te leggen op veertien eenheden opnieuw samenhangt met het voorkomen van de T‐T
mismatch: een kortere sequentie zou geplaagd worden door een lage stabiliteit en op deze manier
kan de duplexconformatie niet in stand worden gehouden. Dit gegeven geeft dan ook meteen
aanleiding tot het eerste deel van dit werk: onderzoek naar mogelijke optimalisatie van de
In een laatste fase wordt, na de studie van de verschillende alternatieve sequenties, nagegaan wat
de invloed is op de gemeten spectra bij de introductie van de eerder vooropgestelde katalytische
residuen in de duplex. Hiertoe wordt eerst en vooral een His‐gemodificeerde thymine bouwsteen
gesynthetiseerd en geïntroduceerd op drie verschillende posities in de standaard sequentie: op base
T6, T7 en T8, zoals aangegeven in figuur 1.22. Deze standaard sequentie word eveneens bestudeerd
met de reeds eerder vermelde meetmethoden:
Figuur 1.22 Overzicht gemodificeerde duplexen
His‐modificatie op positie T6 (THis 6)
His‐modificatie op positie T7 (THis 7)
His‐modificatie op positie T8 (THis 8)
5’-GACCATHisTTGCAGCG-3’3’-CTGGTA ATCGTCGC-5’
5’-GACCATTHisTGCAGCG-3’3’-CTGGTAA TCGTCGC-5’
5’-GACCATTTHisGCAGCG-3’3’-CTGGTAAT CGTCGC-5’
16
De beoogde modificatie is aangeduid in het groen, terwijl de T‐T mismatch aangeduid staat in het
oranje. Het voornaamste doel van deze modificatie op verschillende plaatsen ten opzichte van de
positie van de T‐T mismatch is na te gaan of de positie van de modificatie enige invloed heeft op de
stabiliteit van de duplex en het gedrag van de overeenkomstige signalen in de NMR spectra. Concreet
kan dit worden afgeleid door het uitvoeren van de reeds eerder vermelde temperatuurstudies om na
te gaan of de imino signalen al dan niet vroeger verdwijnen in functie van de temperatuursverhoging.
Verder kan ook een idee verkregen worden van de stabiliteit aan de hand van het opnemen van de
smelttemperaturen (Tm). De stabiliteit van de verschillende gemodificeerde duplexen kunnen met
elkaar vergeleken worden alsook met de stabiliteit van de andere niet gemodificeerde duplexen,
waarmee een inschatting kan worden gemaakt van de impact van de modificatie op de stabiliteit van
de uiteindelijke dupexstructuur. De praktische aspecten van de synthese van deze modificatie zullen
aan bod komen wanneer dit onderdeel in detail zal worden besproken (zie hoofdstuk 6).
17
1.5Referenties
1. Hedstrom, L., Serine protease mechanism and specificity. Chemical Reviews, 2002. 102(12): p. 4501‐4523.
2. Koshland, D.E., Application Of A Theory Of Enzyme Specificity To Protein Synthesis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1958. 44(2): p. 98‐104.
3. Benkovic, S.J. and A. Ballesteros, Biocatalysts ‐ the next generation. Trends in Biotechnology, 1997. 15(10): p. 385‐386.
4. Breslow, R. and S.D. Dong, Biomimetic reactions catalyzed by cyclodextrins and their derivatives. Chemical Reviews, 1998. 98(5): p. 1997‐2011.
5. Dsouza, V.T., et al., Synthesis And Evaluation Of A Miniature Organic‐Model Of Chymotrypsin. Biochemical and Biophysical Research Communications, 1985. 129(3): p. 727‐732.
6. Zimmerman, S.C., On The Evaluation Of A Small Molecule Mimic Of Chymotrypsin. Tetrahedron Letters, 1989. 30(33): p. 4357‐4358.
7. Breslow, R. and S. Chung, A Novel Synthesis Of Substituted Imidazoles, And A Reeaxamination Of A Purported Chymotrypsin Model. Tetrahedron Letters, 1989. 30(33): p. 4353‐4356.
8. Cram, D.J., P.Y.S. Lam, and S.P. Ho, Synthesis Of A Partial Transacylase Mimic. Annals of the New York Academy of Sciences, 1986. 471: p. 22‐40.
9. Atassi, M.Z. and T. Manshouri, Design Of Peptide Enzymes (Pepzymes) ‐ Surface‐Simulation Synthetic Peptide That Mimic The Chymotrypsin And Trypsin Active‐Sites Exhibit The Activity And Specificity Of The Respective Ezyme. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1993. 90(17): p. 8282‐8286.
10. Wells, J.A., et al., A Reinvestigation Of A Synthetic Peptide (TRPEPZ) Designed To Mimic Trypsin. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1994. 91(10): p. 4110‐4114.
11. Gea, A., et al., Solid‐supported synthesis of highly functionalized tripodal peptides with flexible but preorganized geometry: Towards potential serine protease mimics. European Journal of Organic Chemistry, 2006(18): p. 4135‐4146.
12. E. Chargaff, E.V., The Seperation and Quantitative Estimation of Purines and Pyrimidines in Minute Amounts. The Journal of Biological Chemistry, 1948. 176: p. 703‐714.
13. Watson J.D., C.F.H.C., Molecular Structure of Nucleic Acids: A structure for Deoxyribose Nucleic Acid. Nature, 1953. 171: p. 737‐740.
14. Olson, W.K., et al., A standard reference frame for the description of nucleic acid base‐pair geometry. Journal of Molecular Biology, 2001. 313(1): p. 229‐237.
15. Neidle, S., Principles of Nucleic Acid Structure. First Edition ed. 2008: Academic Press, Elsevier. 289. 16. Mary K. Campbell, S.O.F., Biochemistry. sixth edition ed. 2009: Thomson Brooks/Cole. 751. 17. In samenwerking met Prof. Dr. G. Bifulco, Universiteit van Salerno 18. Gervais, V., et al., Solution Structure Of 2 Mismatches A‐Center‐Dot‐A And T‐Center‐Dot‐T In The K‐RAS
Gene Context By Nuclear‐Magnetic‐Resonance And Molecular‐Dynamics. European Journal of Biochemistry, 1995. 228(2): p. 279‐290.
19. Poppe, L. and H. Vanhalbeek, NMR‐Spectroscpoy Of Hydroxyl Protons In Supercooled Carbohydrates. Nature Structural Biology, 1994. 1(4): p. 215‐216.
18
Hoofdstuk2:Staalvoorbereidingenmeetmethoden
2.1OverzichtbestudeerdeDNAsequenties
Tijdens de studie van de alternatieve sequenties worden er in totaal vijf verschillende sequenties
bestudeerd die enkel van elkaar verschillen op het vlak van 1 basenpaar. De plaats en aard van het
aangepaste basenpaar wordt gereflecteerd in de naamgeving van deze verschillende duplexen: de
letter duidt op het type base, gevolgd door het cijfer wat de plaats van diezelfde base aanduidt.
Wild type: dit is de referentieduplex die dienst doet als scaffold voor de beoogde serine
protease mimic. Alle andere bestudeerde sequenties worden met deze sequentie vergeleken
wat betreft temperatuurgedrag, stabiliteit, gevoeligheid voor het optreden van chemische
uitwisseling en kwaliteit van de 1D 1H spectra.
C9G20: een eerste aanpassing van de standaardsequentie komt overeen met een “base‐flip”
van een GC basenpaar direct na de T‐T mismatch. Het doel van deze variatie is na te gaan of
er al dan niet een effect kan worden teruggevonden op het gedrag van de T‐T mismatch
wanneer het bovenliggende basenpaar, en dus ook de π‐π stacking interactie tussen de
naburige basenparen, wordt aangepast.
G5C24: in de standaardsequentie wordt deze positie bezet door een AT basenpaar. Gezien de
kern van iedere sequentie, bestaande uit basenparen T6A23, T7A22 en T8T21, steeds
dezelfde moet blijven, is dit dichtst mogelijke positie ten opzichte van de T‐T mismatch
waarbij de impact van veranderen van het type basenpaar kan worden onderzocht.
5’-GACCATTTGCAGCG-3’3’-CTGGTAATCGTCGC-5’
5’-GACCATTTCCAGCG-3’3’-CTGGTAATGGTCGC-5’
5’-GACCGTTTGCAGCG-3’3’-CTGGCAATCGTCGC-5’
19
C2G27: opnieuw is in de standaardsequentie deze positie bezet door een AT basenpaar. De
redenering achter deze aanpassing is analoog aan diegene bij de G5C24 duplex maar dan op
een positie de duidelijk verderaf gelegen is ten opzichte van de mismatch.
G2C27: deze laatste alternatieve duplex komt overeen met een “base‐flip” van de
voorgaande sequentie. Hiermee wordt de mogelijke impact onderzocht van het alterneren
van de oorspronkelijke CG‐basenpaar aanpassing bij C2G27 op ruime afstand van de TT
mismatch. Naargelang de verschillen die optreden tussen deze en de voorgaande sequentie
kan een schatting worden gemaakt van de mogelijke impact van de verschillen in π‐π
stacking binnen de duplex. De vergelijking die hier wordt gemaakt is analoog aan de
vergelijking bij de C9G20 en wild type sequentie.
2.2Staalvoorbereiding
Alle bovenstaande sequenties werden aangekocht als single strands bij de firma IDT. Om de
zuiverheid van de verschillende oligonucleotiden te kunnen garanderen ondergaan alle stalen een
dialyseprocedure, dit om eventuele, nog aanwezige onzuiverheden te kunnen verwijderen. De
dialyseprocedure werd ons ter beschikking gesteld door Dr. G. Bruylants en Prof. K. Bartik (Molecular
and Biomolecular Engineering Group, ULB)
Zo is onder andere de aanwezigheid van TEA een mogelijk probleem aangezien de signalen in het
NMR‐spectrum overlappen met de signalen van de methylprotonen van thymine en dient dit eerst
verwijderd te worden [1].
In een eerste dialyseronde worden de single strands eerst voor telkens 6 uur behandeld met
volgende oplossingen van telkens 1L:
Na2CO3 (1M)
NaCl (0,5M)
NaCl (0,1M)
3 maal milliq H20
Om er voor te zorgen dat de relatief kleine verontreinigingen kunnen worden verwijderd maar de
single strands wel degelijk in de staaloplossing blijven, word er gebruik gemaakt van een
dialysemembraan met een molecular weight cut‐off (MWCO) van 1 kDa.
Na deze eerste dialyseronde worden equimolaire hoeveelheden van beide strands bij elkaar gevoegd
en vervolgens opgewarmd tot rond 95°C om daarna langzaam te worden afgekoeld tot
kamertemperatuur. In dit proces wordt de meeste stabiele (en gewenste) duplexstructuur gevormd.
5’-GCCCATTTGCAGCG-3’3’-CGGGTAATCGTCGC-5’
5’-GGCCATTTGCAGCG-3’3’-CCGGTAATCGTCGC-5’
20
Eventueel nog aanwezige enkelvoudige strengen die niet betrokken zijn in de vorming van een
duplex worden verwijderd door een tweede dialyse. Dit bestaat erin de oplossing met de
duplexstructuur te dialyseren voor opnieuw telkens 6 uur ditmaal enkel driemaal in milliq H2O in
combinatie met een dialysemembraan met een MWCO van 3,5 kDa, m.a.w. groot genoeg voor de
enkelvoudige strengen maar te klein voor de volledige duplexstructuur.
Na deze tweede dialyse gebruikt men lyofilisatie (vriesdroogstap) ter verwijdering van residuele
solventen, waarna het product kan worden heropgelost in de gewenste hoeveelheid staaloplossing
bestaande uit 90% H2O en 10%D2O met daarin opgelost:
NaCl (100 mM)
EDTA (0,1 mM) (dit ter complexering van mogelijke aanwezige Ca2+ en Mg2+‐ionen die op zich
kunnen complexeren met de duplex)
DSS (0,05mM) (intern referentiesignaal)
NaN3 (0,05mM) (antibacteriële werking)
2.3Meetmethodenenpulssequenties
In deze paragraaf worden de pulssequenties besproken die worden gebruikt in de studie van de DNA
duplexen. Dit zijn louter de theoretische aspecten. De toepassing en verwerking van de verschillende
metingen is hier niet aan de orde en komt aan bod in hoofdstuk 3 en hoofdstuk 4. Alle metingen
werden uitgevoerd op de Bruker 700MHz Avance type II spectrometer van de Interuniversitaire NMR
Faciliteit. De spectrometer is uitgerust met een triple resonantie inverse (TXI) probe uitgerust met Z‐
gradiënten en een BTV3000 Eurotherm eenheid voor temperatuurscontrole. De parameters die
verder van belang zijn worden hierna vermeld bij de bespreking van de verschillende
pulstechnieken.
2.3.1 Een‐dimensioneletechnieken
2.3.1.1 1D 1H experiment
Het grootste aantal metingen die werden verricht zijn standaard 1D 1H metingen, uitgevoerd tijdens
de temperatuurstudies van de diverse oligonucleotiden. Het enkel‐puls experiment dat hiervoor
gebruikt wordt kan schematisch als volgt worden voorgesteld:
De belangrijkste parameter die in dit type meting moet worden geoptimaliseerd is de excitatiepuls θ.
Deze komt doorgaans overeen met een 90°‐puls. Wanneer een dergelijke puls wordt gegeven aan
een spinsysteem bij thermisch evenwicht zal de volledige (bulk)magnetisatie worden overgebracht
Figuur 2.1 1D enkele‐puls experiment
Relaxatie‐periode
θ
Puls
Acquisitie
n
21
naar het transversaal vlak en bijgevolg verkrijgt men de grootst mogelijke signaalintensiteit. In alle
toepassingen van deze pulssequentie maakt men gebruik van “signal averaging”, waarbij een
toename in signaal‐ruisverhouding wordt verkregen door het accumuleren van meerdere spectra. Dit
wil dus zeggen: het toepassen van meerder pulsen na elkaar met daarin een zekere relaxatieperiode.
De optimale lengte van deze periode wordt bepaald door de T1‐relaxatietijdsconstante. Immers, het
is noodzakelijk om tussen de opeenvolgende pulsen in dit 1D experiment een periode van een aantal
keer T1 te wachten opdat het spinsysteem kan relaxeren zodat de magnetisatie zich kan herstellen,
zodat een maximaal signaal gegarandeerd wordt. Zo leidt een rustperiode tr = 5*T1 tot een
recuperatie van de longitudinale magnetisatie met 99,3%. Het toepassen van dit criterium kan vrij
tijdsintensief zijn en is doorgaans ook niet de meest efficiënte manier om “signal averaging” toe te
passen, tenzij er kwantitatieve metingen zijn vereist. In de praktijk worden de pulscondities dan ook
zodanig aangepast dat dit leidt tot een maximalisatie van de steady‐state longitudinale magnetisatie.
In 1H NMR zijn de T1‐tijden meestal vrij gelijkaardig en worden de intensiteiten dan ook vrij goed
gereproduceerd zelfs wanneer tr < 5* de langste T1.
Het grootste gevaar schuilt in het te snel op elkaar volgen van de verschillende pulsen, zodanig dat
de wachtperiode beduidend kleiner is dan de gemiddelde T1‐tijd. In deze omstandigheden leidt dit
tot een substantiële afname in signaal‐ruisverhouding en in het extreme geval heeft de magnetisatie
geen tijd om te recupereren tussen de pulsen en wordt er bijgevolg ook geen signaal meer
waargenomen. Deze situatie staat ook bekend als saturatie.
Afhankelijk van de omstandigheden kan de hierboven vermelde situatie van saturatie beschouwd
worden als een voor‐ of nadeel. Wanneer een intens solventsignaal dient te worden verwijderd, zoals
hier het geval zal zijn aangezien er wordt gewerkt met water als voornaamste solvent, biedt dit een
mogelijkheid om deze te onderdrukken. Dit principe wordt dan ook toegepast in de presaturatie‐
pulssequentie, de oudste en meest robuuste vorm van solventonderdrukking. Deze sequentie houdt
in dat er een continue, zwakke rf‐puls wordt toegepast op de frequentie van het solvent voor de
excitatie en acquisitie. Hierdoor worden de spins van het solvent gesatureerd en is het
overeenkomstige signaal niet langer zichtbaar in het spectrum. De wateronderdrukking zelf wordt
uitgevoerd tijdens de relaxatieperiode van de 1D 1H pulssequentie.
2.3.1.2 Wateronderdrukking via WATERGATE
Het grootste nadeel van presaturatie solventonderdrukkingsmethode is dat ze ook leidt tot het
onderdrukken van eventuele uitwisselbare protonen door het proces van saturatietransfer. In
sommige (gunstige) gevallen is het mogelijk om de solventcondities (bv. temperatuur en pH) zodanig
aan te passen dat de uitwisseling voldoende wordt vertraagd, zodat het verlies in signaalintensiteit
beperkt blijft. Deze aanpak is echter beperkt qua mogelijkheden en vereist een extra inspanning en
tijd. Gezien de aard van de iminoprotonen die hier worden geobserveerd, is het toepassen van deze
pulssequentie dan ook uit den boze.
De meest effectieve aanpak om het solventsignaal te onderdrukken, zonder dat daarbij de
uitwisselbare protonen worden onderdrukt, is de WATERGATE pulssequentie. Bij deze methode vindt
er een vernietiging plaats van de netto solvent magnetisatie aan de hand van “pulsed field gradients”
(PFG’s) wat er voor zorgt dat er geen solventsignaal meer zichtbaar is voor de acquisitie, terwijl de
signalen van alle andere spins behouden blijven en dus gedetecteerd kunnen worden. De
pulssequentie kan worden voorgesteld zoals in figuur 2.2.
22
Deze sequentie bestaat uit een spin‐echo sequentie, samen met twee selectieve 90°‐x pulsen ‘on
resonance’ voor water met daarnaast nog twee gelijke gradiënt pulsen die inwerken op alle spins. De
spin echo sequentie zorgt ervoor dat alle evolutie ten gevolge van chemical shift wordt
gerefocuseerd na de 180° puls. De gradiëntpulsen zijn werkzaam op alle spins en zorgen in het eerste
geval voor een uitwaaiering van alle spins met de vorming van een helixachtige structuur over het
volledige staal en alle spins. Door de tussenkomst van 180° puls gevolgd door een tweede
gradiëntpuls wordt deze uitwaaiering volledig tenietgedaan en worden alle vectoren opnieuw
gerefocuseerd over het volledige staal zodat uiteindelijk deze kunnen gemeten worden tijdens de
acquisitie.
90°x 180°x
90°‐x 90°‐x
1H
Gz
Figuur 2.2 WATERGATE met pulsed field gradiënts
z
x
y
z
x
y
z
x
y
ω
z
x
y
x
y
90°x 180°x
90°‐x 90°‐x
1H
Gz
x
y
z
x
y
z
x
y
z
ω
z
Figuur 2.3 Overzicht evolutie magnetisatie (uitgezonderd solvent)
23
Het solventsignaal, in dit geval water, ondergaat hetzelfde regime, maar hier zijn er twee extra 90 ‐x
pulsen werkzaam. Netto gezien lijkt het of de volledige pulssequentie geen enkel effect heeft en
bevindt de magnetisatie zich ongewijzigd in het transversale vlak. Dit is echter zonder de PFG’s in
rekening te brengen. Deze zorgen ervoor dat zowel voor als na de 180° puls, de magnetisatie van
water volledig wordt gedefaseerd door de gradiëntpulsen en er dus geen netto magnetisatie
aanwezig is in het transversale vlak. Hierdoor wordt er dan ook geen signaal voor het solvent
gedetecteerd en is het watersignaal effectief onderdrukt.
Omdat de presaturatie onderdrukkingstechniek een typische duur heeft van om en bij de seconde
kan er ook saturatietransfer optreden van het solventsignaal naar uitwisselbare protonen. Dit is bij
de WATERGATE‐sequentie, die slechts enkele milliseconden duurt, nauwelijks het geval en dus is
deze methode van solventonderdrukking veel selectiever. De gradiënten grijpen in op de transverse
magnetisatie en zijn dus toepasbaar op zowel 1D als multidimensionale sequenties. Concreet gezien
wordt de WATERGATE toegepast op zowel de 1D 1H metingen als bij de 2D NOESY metingen,
besproken in de volgende paragraaf.
Praktisch werden de 1D WATERGATE 1H metingen uitgevoerd met het pulsprogramma zggpwg van
de Bruker bibliotheek [2]. De 90° puls lengte was 8,5 tot 11,5 µs voor een vermogen van 1 dB. De
spectrale vensterbreedte was 30,0 ppm (21008.40 Hz). De draagfrequentie voor de pulsen werd
ingesteld op de frequentie van water en was temperatuursafhankelijk. Voor de 5 mm metingen
werden 128 tot 256 FIDs geaccumuleerd. Elke FID werd bemonsterd met 32768 punten voor een
totale acquisitie tijd van 0,780 s. De repetitietijd werd ingesteld op 2,0 s. Bij de verwerking werd het
signaal voorafgaandelijk vermenigvuldigd met een gekwadrateerd cosinusvenster venster voor
fourier transformatie tot een spectrum van 32768 datapunten. Voor het WATERGATE pulse element
werd gekozen voor sinusoïdale gradiënten met een duur van 1 ms en een maximale amplitude van
20 % van de maximale gradiëntsterkte die bereikbaar is op de TXI probe. De duur van de selectieve
90° puls werd ingesteld op 1 ms en bereikt voor een vermogen van 36,0 tot 38,0 dB in functie van het
z
x
y
z
x
y
z
x
y
z
x
y
x
y
90°x 180°x
90°‐x 90°‐x
1H
Gz
z
Figuur 2.4 Overzicht evolutie magnetisatie solvent (water)
24
staal. Voor de metingen met de 1 mm probe waren alle parameters dezelfde behalve de 90 puls die
typisch 3,0 µs bedroeg voor een vermogen van 1 dB.
2.3.2 2DNOESYtechniek
Dit type metingen wordt toegepast om de verschillende iminoprotonen te kunnen toekennen aan de
verschillende basenparen in de sequenties. De eigenlijke toekenningen kunnen worden
teruggevonden in hoofdstuk 3.
2D NOESY experimenten zorgen voor het tot stand komen van correlaties tussen
resonantiefrequenties van nuclei die hun magnetisatie uitwisselen. Het uitwisselingsproces kan
enerzijds tot stand komen door chemische uitwisseling of anderzijds door het optreden van kruis‐
relaxatie geïnduceerd door de magnetische dipool‐dipool interactie. Dit laatste heeft als voorwaarde
dat de beschouwde nuclei zich ruimtelijk gezien dicht genoeg bij elkaar bevinden, met als bovengrens
een afstand van 4,5 a 5 Å. De NOESY correlaties die hier tot stand komen zijn incoherent, omdat
deze worden bepaald door het chemische systeem, de uitwisselingsprocessen of de moleculaire
structuur en onafhankelijk van de NMR hardware. Bijgevolg moeten sommige delays binnen deze
pulssequentie overeenkomen met die moleculaire karkateristieken.
De NOESY pulssequentie kan worden voorgesteld zoals het geval is in figuur 2.5.
Periode t1 komt overeen met de evolutieperiode: de magnetisatie van een kern A wordt door de
eerste 90°‐puls in het transverse vlak gebracht en zal precesseren met angulaire frequentie ωA. De
tweede 90°‐puls zorgt ervoor dat de magnetisatie van A nu terecht komt op de –z‐as. Tijdens de
mengperiode tm kan de longitudinale magnetisatie van spin A gedeeltelijk getransfereerd worden
naar spin B, hetzij door dipolaire kruisrelaxatie, hetzij omdat de kern uitwisselt tussen 2 verschillende
chemische omgevingen. Na een voldoende lange mengtijd, worden de nieuwe populaties
bemonsterd door een derde 90°‐puls waarna het FID kan worden gemeten. Deze sequentie wordt
een aantal keer herhaald om voldoende transiënten te kunnen registreren om zo een acceptabele
signaal tot ruis verhouding te verkrijgen. De relaxatieperiode ingebouwd aan het begin van de
sequentie zorgt ervoor dat de populaties voldoende tijd krijgen om zich terug in hun
evenwichtstoestand te herstellen.
Figuur 2.6 Overzicht gedrag magnetisatievectors tijdens de 2D NOESY pulssequentie
z
x
y
z
x
y
z
x
y
z
x
y
z
x
yω
90°x90°x 90°xt1 z
x
tm
M0AMtA MtA(t1)
MzAMx’AMzB
‐My’B
90°x
1H
90°x 90°xRelaxatie delay
t1 tmAcquisitie
Figuur 2.5 Overzicht 2D NOESY pulssequentie
25
De coherente transverse component Mx’A die wordt bekomen na de tweede 90°‐puls bij het begin
van de mengperiode geeft aanleiding tot het voorkomen van ongewenste COSY correlaties en niet de
gewenste NOESY correlaties. Deze component moet dus verwijderd worden aan het begin van de
mengperiode. Deze ongewenste component kan worden verwijderd door gebruik te maken van
enerzijds ‘phase cycling’ waarbij de beschouwde component afwisselend gericht is langs de positieve
en negatieve kant van de x‐as. Door vervolgens de successieve scans op te tellen, wordt deze herleidt
tot nul.
Een tweede mogelijkheid berust weer op het gebruik maken van een pulsed field gradiënt Gz. Deze
zorgt ervoor dat de transverse magnetisatievectoren worden gedefaseerd over de volledige lengte
van het staal. De vectorsom van alle gedefaseerde magnetisatievectoren leidt uiteindelijk tot het
verdwijnen van de ongewenste component zodat deze niet langer wordt gedecteerd.
Binnen het NOESY experiment kan de mengtijd tm worden aangepast om te trachten intensere
kruispieken te verkrijgen tussen de beschouwde protonen. Doorgaans kan men verwachten dat een
langere tm leidt tot intensere kruispieken omdat de transfer d.m.v. het NOE effect langer heeft
kunnen inwerken. Echter dient hier een belangrijke kanttekening bij te worden gemaakt: na een
zekere duur van tm zal de intensiteit van de kruispieken alleen nog maar afnemen ten gevolge van het
verdwijnen van de longitudinale magnetisatie als gevolg van relaxatie. Dit staat ook bekend als de T1‐
leaching. In functie van de kruis‐relaxatiesnelheid die de kruispiek opbouwt, en de longitudinale
relaxatiesnelheid die de kruispiek reduceert, bestaat er een optimale mengtijd tm die aanleiding zal
geven tot een maximale kruispiekintensiteit. Daarom kan het nuttig zijn om een idee te hebben van
de T1‐relaxatietijdsconstante van de geobserveerde signalen. Zo kan het immers zijn dat bij een
bepaalde mengtijd de T1‐relaxatie al voldoende is opgetreden om aanleiding te geven tot kruispieken
die minder intens zijn dan wanneer men de tm zou verkleinen. Het is dus goed mogelijk dat door tm te
verkleinen er toch een intensere kruispiek kan worden verkregen in de NOESY‐spectra. De manier
waarop men een idee kan krijgen van de lengte van deze T1‐tijden is via het inversion‐recovery
experiment (zie verder).
Een ander fenomeen dat kan optreden bij langere tm‐waarden voor grotere moleculen zoals de
oligonucleotiden in dit werk is spin diffusie. Hierbij lijkt magnetisatie getransfereerd te worden naar
kernen die in principe te ver van elkaar gelegen zijn om aanleiding te geven tot directe kruispieken.
De magnetisatie wordt evenwel doorgegeven via een derde tussenliggende site die ruimtelijk dicht
genoeg is gelegen bij de eerste twee om als tussenstation te dienen en de magnetisatie te
transferen.
De 2D NOESY experimenten die worden gebruikt zijn uitgerust met een extra WATERGATE sequentie
na de 3e puls om het intense solventsignaal te onderdrukken en de toekenning te bevorderen.
Eenmaal de parameters voor deze onderdrukking zijn geoptimaliseerd in de 1D experimenten,
kunnen deze moeiteloos overgedragen worden op de NOESY‐metingen.
Praktisch werden 2D NOESY spectra opgemeten met het noesyfpgpphwg pulsprogramma uit de
Bruker bibliotheek [3]. Er werdend doorgaans 512 t1 waarden opgemeten, telkens bestaande uit 64
of 96 FIDs bemonsterd met 4096 punten. De mengtijd varieerde van 80 tot 150 ms. De
relaxatieperiode was 2,0 s. De WATERGATE parameters waren deze die eerder gespecifieerd werden
(zie 2.3.1.2). De verwerking bestond in vermenigvuldiging met een gekwardateerd sinusvenster langs
26
t2 en t1, gevolgd door fourier transformatie naar een 2D data matrix van 2048 bij 2048 punten.
Basislijncorrecties werden waar nodig uitgevoerd met een polynoom functie.
2.3.3 MetenvanT1viahetinversionrecoveryexperiment
De algemene pulssequentie en de evolutie van de bulkmagnetisatie kan worden teruggevonden in
figuur 2.7. In het volledige experiment worden in totaal n individuele spectra opgemeten waarbij
telkens het delay τ wordt aangepast. In totaal worden er n 1D 1H spectra verkregen waarbij de
intensiteit van de signalen evolueert van volledige negatief naar volledig positieve waarden.
Omwille van radiation damping van de zeer intense waterresonantie en om saturatie transfer te
vermijden, werd de niet‐selectieve 180° puls in de inversion revovery sequentie vervangen door een
selectieve 180° DANTE puls [1].
Hoe is men nu in staat om uit deze meting een waarde te verkrijgen voor de karakteristieke T1‐tijd
van een spin in een willekeurige molecule ? Voor een spinsysteem met één enkele chemische
omgeving en geen scalaire koppeling geldt:
Met T1 de spin‐rooster of longitudinale relaxatietijdsconstante, Mz de bulkmagnetisatie bij een
willekeurige tijd t (Mzt) en M0 de bulkmagnetisatie bij evenwicht (t = ∞, Mz
ev). Deze uitdrukking kan
worden herschreven tot een eerste orde differentiaalvergelijking.
90°x Acquisitie180°x
Inversie puls Uitlees‐puls
τ
90°x180°x
τ1
z
x
y
z
x
y
z
x
y
z
x
y
Inversie relaxatie uitlezen
τ2 > τ1
90°xz
x
y
z
x
y
FT
Figuur 2.7 Overzicht pulssequentie en evolutie bulkmagnetisatie
27
Hierbij is k1 de longitudinale relaxatiesnelheidsconstante gedefinieerd volgens
Na het uitwerken van de differentiaalvergelijking wordt er een algemene oplossing bekomen van de
vorm
De exacte vorm van de oplossing is dus afhankelijk van , met andere woorden de
grootte van de perturbatie van de evenwichtspopulatie. Gezien een vaste waarde heeft, zal
, de bulkmagnetisatie na de aangebrachte perturbatie, de uitkomst gaan bepalen. Juist na het
toepassen van de 180°‐puls verkrijgen we de volgende situatie:
2
1 2
Deze laatste vergelijking geeft ons de mogelijkheid om k1 en dus ook T1 te weten te komen. Door het
uitzetten van de signaalintensiteit in functie van de gebruikte delay τ en vervolgens deze te fitten aan
de afgeleide functie kan k1 worden bepaald, wat gewoon de inverse is van T1 voor dat specifiek
signaal. Eens de waarde van T1 voor een specifieke set van signalen is geweten, kan een intelligente
keuze gemaakt worden voor de duur van de mengtijd tm in het 2D NOESY experiment.
2.4Referenties
1. Bruylants, G., et al., Comparison of the Thermodynamics and Base‐Pair Dynamics of a Full
LNA:DNA Duplex and of the Isosequential DNA:DNA Duplex. Biochemistry, 2009. 48(35): p. 8473‐8482.
2. M. Piotto, V.S.V.S., Water Supression using watergate sequence. Journal of Magnetic Resonance, 1993. Series A 102: p. 241‐245.
3. V. Sklenar, M.P., R. Leppik & V. Saudek, 2D Homonuclear correlation via dipolar coupling. Journal of Magnetic Resonance, 1993. A102: p. 241‐245.
28
Hoofdstuk3:ToekenningvandeDNAsequentiesvia2DNOESY
Voor alle hier bestudeerde duplexen kan men drie sets van iminoprotonen onderscheiden: thymine
protonen in de regio van 14,3 – 13,5 ppm, guanine protonen meestal in de regio gaande van 13,3 –
12,4 ppm en ten slotte een set van iminoprotonen overeenkomstig met die van de T‐T mismatch in
de regio rond 11,2 – 10,8 ppm.
De iminoprotonen voldoen aan de voorwaarden die aanleiding kunnen geven tot het ontstaan van
onderlinge nOe‐kruispieken: de B‐DNA duplexstructuur plaatst de iminoprotonen binnen een
maximale afstand van 3,4 Å boven of onder elkaar en kunnen dan ook via dit type meting worden
toegekend. De twee voornaamste zaken waarmee rekening moeten worden gehouden is enerzijds
het feit dat enkel de thymines (N3H) en guanines (N1H een iminoproton dragen en dus enkel deze
twee basen zichtbaar zullen zijn in het spectrum. Anderzijds kunnen kruispieken zowel afkomstig is
van een direct naburige base in dezelfde streng dan wel van een boven‐ of onderliggende base in de
complementaire streng. Dit laat in principe toe om van het éne naar het andere uiteinde van de
duplex te ‘stappen’ via een sequentie van imino–imino nOe contacten tussen opeenvolgende
baseparen.
In wat volgt zal, voor elk bestudeerd duplex de toekenning beschreven worden aan de hand van
dergelijke sequentiële wandeling (‘sequential walk’, [1]). Belangrijke parameter hierbij is de keuze
van de mengtijd in het NOESY experiment. Een te lange mengtijd kan immers een nefaste invloed
hebben op de intensiteit van de kruispieken of spin diffusie doen optreden, met het risico van een
bemoeilijkte toekenning als gevolg. Daarom wordt er voor iedere sequentie een T1‐bepaling
uitgevoerd aan de hand van het inversion‐recovery experiment bij een temperatuur van 5°C. De 2D
NOESY‐metingen worden meestal opgemeten bij een temperatuur waarbij de signalen individueel
het beste te onderscheiden zijn, waardoor er een verschil zit in de temperatuur waarbij de T1‐meting
is uitgevoerd en de 2D NOESY.
3.1Wildtype
De T1 relaxatietijdsconstanten voor het wild type duplex zijn verzameld in Tabel 3.1. De volgorde in
de tabel stemt overeen met het voorkomen van de signalen in het spectrum, gerangschikt van
hoogste naar laagste chemische verschuiving. De waarden spreiden zich uit van zo’n 40 tot 120 ms,
waarbij de T‐T mismatch wordt gekenmerkt door de kleinste T1‐waarden (44,6 en 47,9 ms), en dit
geeft meteen aan dat het toepassen van de gebruikelijke meettijd van 150 ms hier tot sterke
vermindering van de intensiteiten van sommige kruispieken kan leiden.
5’-GACCATTTGCAGCG-3’3’-CTGGTAATCGTCGC-5’
Figuur 3.1 Sequentie wild type
29
Base T1 (ms)
T18 117,6
T7, T27 a
T6 97,8
T24 59,6
G16 66,7
G9 91,2
G12 87,1
G26 91,5
G19 116,9
G25 72,7
TT(1) 44,6
TT(2) 47,9 a kan niet bepaald worden door signaaloverlap
Tabel 3.1 T1‐tijdsconstante van de iminoprotonen van het wild type duplex bij 5°C
Daarom werd het 2D NOESY spectrum opgenomen met een mengtijd van 80ms, in totaal 96 scans en
bij een temperatuur van 25°C. De toekenning van het wild type duplex m.b.v. het onderstaande
NOESY spectrum is een voorbeeld van het voordeel dat een kortere mengtijd tm kan opleveren in het
kunnen waarnemen van signalen met een kortere T1‐tijd.
T18
T27
T7T6 T24
G16G9
G12 G26
G19
G25 TT(1)TT(2)
Figuur 3.2 Toekenning iminoprotonen wild type via 2D NOESY
30
Hier is het signaal overeenkomstig met de kruispiek tussen basen T24 en G25 een dergelijk ‘type’
signaal: de T1‐waarden van beide signalen zijn beduidend lager en dit heeft tot gevolg dat de
kruispiek tussen beide een lagere intensiteit heeft dan het geval is bij basen gekenmerkt door een
langere T1‐tijd zoals bijvoorbeeld de kruispiek tussen T18 en G19. Wanneer de tabel met de
verschillende T1‐waarden wordt overlopen, dan valt het op dat er nog een aantal signalen zijn met
een nog kortere T1; een aantal van die signalen kunnen dus ook voordeel ondervinden bij deze
kortere mengtijd van 80ms.
Zoals blijkt uit het spectrum is de toekenning dan ook vrij vlot door te voeren op basis van het 80ms
NOESY spectrum, dat opgenomen werd bij een temperatuur waar er bijna geen last is van
signaaloverlap, wat een ondubbelzinnige toekenning vergemakkelijkt. In principe worden er 15
verschillende signalen verwacht. Dit komt overeen met het totaal aantal basenparen in de
bestudeerde veertienmeren, plus één extra signaal afkomstig van de tweede thymine van de T‐T
mismatch. In het spectrum kunnen er totaal 12 verschillende basenparen worden toegekend,
inclusief de T‐T mismatch. De twee terminale GC‐basenparen aan elk uiteinde van de sequentie
ontbreken.
De toekenning vertrekt van het iminosignaal van TT(1) en TT(2) die makkelijk worden teruggevonden
door hun duidelijk lagere chemische verschuiving tussen 10 en 11ppm die het gevolg is van “wobble”
basenparing [2]. Deze vertonen sterke contacten tussen elkaar en komen overeen met T8 en T21.
Een onderscheid tussen deze is echter niet mogelijk, aangezien beide eenzelfde patroon vertonen
van nOe‐contacten naar de omliggende basen. Beide signalen van de mismatch vertonen dus
kruispieken naar twee andere protonen, één in de regio van de guanines en één in de regio van de
reguliere thymines. De guanine moet overeenkomen met G9, die een direct nabuur is van de
mismatch. Hetzelfde geldt voor de thymine, dat moet overeenkomen met T7. Eens deze twee
signalen zijn toegekend, kunnen deze gebruikt worden als ankerpunt voor de toekenning van de
andere signalen, waarbij de toekenning van de sequentie respectievelijk naar de rechterzijde en
linkerzijde uitgebreid wordt.
T7 toont een kruispiek naar het eerste signaal aan zijn rechterkant, wat dan overeenkomt met T6.
Deze T6 toont dan weer, zij het iets minder duidelijk, een contact naar zijn rechterbuur in de
sequentie, die overeenkomt met T24 in de complementaire streng. Deze beschikt over een kruispiek
naar het signaal met de laagste ppm waarde in de regio van de guanines. Logischerwijs moet dit
iminosignaal overeenkomen met die van G25.
G25 toont een contact naar een diagonaalpiek waartoe bijgedragen wordt door twee signalen die
dicht bij elkaar zijn gelegen. Er is echter nog een thymine signaal, met de op één na hoogste
chemische verschuiving, dat ook een kruispiek vertoont in deze regio. Aan de hand van deze twee
kruispieken kan een onderscheid gemaakt worden tussen de bijdrage van de twee overlappende
signalen. Het betreffende signaal is een directe nabuur van G25 en heeft ook nog een thymine als
nabuur zodat deze guanine komt overeen met G26, terwijl de thymine dan moet overeenkomen met
T27. Op deze manier is de volledige linkertak van de sequentie dus toegekend.
De rechtertak is iets moeilijker, dit door het gebrek aan diversiteit tussen de basenparen.
Vertrekkende van G9, kan er een kruispiek worden teruggevonden naar de voorlaatste guanine. Dit
signaal komt overeen met G19, directe nabuur van G9. G19 vertoont dan weer een kruispiek naar
een thymine met de hoogste chemische verschuiving, deze komt overeen met de enige thymine
31
aanwezig in de sequentie na de mismatch, T18. Deze thymine vertoont nog een kruispiek naar een
guanine die gelegen is net voor G26 en komt overeen met G12. Deze laatste heeft ten slotte nog een
duidelijk contact naar de laatste niet‐geïdentificeerde guanine, G16.
G1 en G14 kunnen niet worden teruggevonden in de spectra en zijn dus bij alle temperaturen in
snelle uitwisseling op de NMR‐tijdschaal met het aanwezige solvent.
De toekenning van de alternatieve sequenties verloopt sterk analoog aan deze toekenning, met als
enige verschillen dat er enerzijds een nieuw iminosignaal kan worden toegekend dat overeenkomt
met het aangepaste basenpaar. Anderzijds kan het zijn dat door de wijziging van één basenpaar een
aantal iminosignalen verschuiven in het spectrum of overlappen met andere signalen.
3.2C9G20
Figuur 3.3 Sequentie C9G20
De 2D NOESY werd bij deze duplex opgemeten bij een temperatuur van 10°C.. Wanneer de
verschillende T1‐tijden in beschouwing worden genomen is het duidelijk dat vooral de thymines
worden gekenmerkt door een beduidend minder efficiënte longitudinale relaxatie. Er werden zowel
NOESY experimenten met een mengtijd van 80 als 150 ms opgenomen, elk met in totaal 64 scans,
met alle kruispieken zichtbaar in beide spectra. De T1‐tijden van de mismatchprotonen ontbreken
aangezien deze aanleiding geven tot onrealistische waarden. Niettemin zijn er duidelijke kruispieken
zichtbaar in het 2D‐spectrum. De reden voor het sterke afwijken van de berekende waarden in de T1‐
meting is het gevolg van afwijkingen in het verloop van de inversiekromme, waardoor de fitting niet
goed kan worden uitgevoerd. De oorsprong van deze afwijking is voorlopig nog onduidelijk.
Base T1 (ms)
T18 186,1
T7 185,2
T6 148,3
T24 156,2
G16 74,0
G20 63,6
G19 84,3
G12, G26 a
G25 71,0 a kan niet bepaald worden door signaaloverlap
Tabel 3.2 T1‐tijdsconstante van de iminoprotonen van C9G20 bij 5°C
5’-GACCATTTCCAGCG-3’3’-CTGGTAATGGTCGC-5’
32
In totaal kunnen er opnieuw 12 basenparen worden toegekend, met in totaal 13 iminosignalen
zichtbaar in het spectrum. Het aangepaste basenbaar C9G20 kan op dezelfde manier worden
geïdentificeerd als het geval was bij G9C20 in het wild type duplex via de nOe‐contacten met de
mismatchprotonen.
Deze sequentie heeft duidelijk iets meer last van signaaloverlap, vooral in de regio van de guanines,
maar een volledige toekenning is mogelijk. Het aangepaste basenpaar C9G20 is ook duidelijk toe te
kennen en situeert zich rond dezelfde chemische verschuiving als oorspronkelijk het geval was met
G9 (12,96 ppm t.o.v. 12,92 ppm). Verder heeft G19 een iets hogere chemische verschuiving (12,88
ppm versus 12,72 ppm bij de wild type) en vallen de signalen van G12 en G26 nagenoeg samen.
3.3G5C24
De inversion‐recovery experimenten uitgevoerd om de T1‐tijd te meten hebben aanleiding gegeven
tot onbruikbare resultaten als gevolg van problemen met de wateronderdrukking en werden omwille
van tijdsgebrek niet meer opnieuw uitgevoerd. De reden voor dit mislukken is onduidelijk, aangezien
hetzelfde protocol als voor de andere duplexen werd aangewend om deze metingen uit te voeren.
5’-GACCGTTTGCAGCG-3’3’-CTGGCAATCGTCGC-5’
T18
T27
T7
T6 T24G16
G20G12
G19
G25TT(1) TT(2)
G26
Figuur 3.4 Toekenning iminoprotonen C9G20 via 2D NOESY
Figuur 3.5 Sequentie G5C24
33
De 2D NOESY metingen daarentegen hebben wel bruikbare resultaten opgeleverd en de toekenning
van deze sequentie kan worden teruggevonden in figuur 3.3. De meting werd uitgevoerd bij 25°C,
met een tm van 150ms en 96 scans. Het feit dat alle signalen aanleiding geven tot duidelijke
onderlinge nOe‐contacten is een indicatie dat de T1‐tijden voor deze sequentie ongeveer in dezelfde
grootteorde liggen als de voorgaande twee sequenties.
In totaal zijn er 10 signalen onderscheidbaar, wat een kleiner aantal is in vergelijking met de
voorgaande sequenties. De reden is eenvoudig: deze sequentie heeft te kampen met een aanzienlijke
signaaloverlap. Dit is waarschijnlijk ook te wijten aan de aard van het aangepaste basenpaar: een AT‐
eenheid wordt vervangen door GC‐basenpaar. Deze laatste zijn al sterk vertegenwoordigd in de
sequentie en het is dan ook niet echt een verassing dat er een aantal signalen samenvallen in de
spectra. Een welbepaald signaal, gelegen tussen G16 en G9 vertoont geen diagonaal‐ of kruispieken
in het spectrum. Dit doet vermoeden dat het signaal verloren gaat onder dat van G9 en dat de T1 te
kort is om bij de gekozen mengtijd nog nOe‐contacten te kunnen ontwikkelen. Ondanks het feit dat
een toekenning van dit signaal niet mogelijk is, kan het worden aangenomen dat dit overeenkomt
met het iminosignaal van het aangepaste basenpaar G5C24. Aanwijzingen hiervoor zijn dat enerzijds
alle andere signalen wel kunnen worden teruggevonden en anderzijds de twee uiterste basenparen,
G1 en G14, ook niet voorkomen in alle andere sequenties, waardoor dit de enig overgebleven
mogelijkheid is.
T18
T27 + T7
T6
G5
G16
G9G12, G26 + G25
G19
TT(1)TT(2)
Figuur 3.6 Toekenning iminoprotonen G5C24 via 2D NOESY
34
De thymine iminosignalen vertonen een vrij grote overlap, met uitzondering van deze van de
mismatch. Daarnaast is het duidelijk dat ook de guanines enige hinder ondervinden, zo overlappen
G12, G26 en G25. Ondanks deze complicaties is het toch mogelijk om alle basenparen toe te kennen
via een sequentiële wandeling, opnieuw met uitzondering van de terminale GC‐eenheden.
Het mag duidelijk zijn dat deze sequentie wat betreft toekenning duidelijk minder ideaal is dan de
wild type. Ook andere bemerkingen in de verdere analyse sluiten aan bij deze conclusie (zie verder).
3.4C2G27
De T1‐waarden bekomen voor deze sequentie liggen in dezelfde grootteorde als diegene bij de wild
type. G16 is de enige waarde die opvallend klein is (11,9ms), maar dit levert zoals blijkt uit het 2D
NOESY spectrum, geen probleem op betreffende de toekenning. De enige T1‐waarde die hier
ontbreekt is G12, de fitting van deze waarde leverde een niet bruikbaar resultaat op. Gezien de
gelijkenissen met de voorgaande sequentie kan verwacht worden dat deze een waarde heeft van zo
rond de 80ms.
Base T1 (ms)
T18 139,1
T7 79,3
T6 130,4
T24 22,9
G27 90,9
G26 74,4
G16 11,9
G9 30,5
G25 30,5
G19 110,8
TT(1) 71,4
TT(2) 82,7
Tabel 3.3 T1‐tijdsconstante van de iminoprotonen van C2G27 bij 5°C
De volledige toekenning van deze sequentie kan worden teruggevonden in figuur 3.4. De meting
werd uitgevoerd bij een temperatuur van 5°C, met een tm van 150ms en 96 scans. Het aangepaste
basenpaar kan worden geïdentificeerd door een kruispiek met zijn directe en enige zichtbare nabuur,
G26. De sequentie in het algemeen wordt gekenmerkt door een degelijke resolutie van de
iminosignalen. Zo zijn de verschillende thymines duidelijk te onderscheiden en ook de guanines
lijken, althans bij de gekozen temperatuur, geen hinder te ondervinden van signaaloverlap. De
grootste wijziging in de volgorde van de signalen is terug te vinden bij G27, het aangepaste
basenpaar, en het naburige G26. Deze komen nu voor het signaal overeenkomstig met G16 te liggen
in het spectrum, bij 13,18 en 13,12 ppm respectievelijk. Dit heeft als voordeel dat G12 nu vrij is van
5’-GCCCATTTGCAGCG-3’3’-CGGGTAATCGTCGC-5’
Figuur 3.7 Sequentie C2G27
35
signaaloverlap ten opzichte van de wild type; langs de keerzijde zijn G16, G26 en G27 zelf iets minder
duidelijk geresolveerd.
Een laatste kleine wijziging in het spectrum is het wisselen van de signalen van G25 met G19. Voor de
resterende signalen is de volgorde en toekenning analoog aan de wild type.
3.5G2C27
Bij deze laatste sequentie valt het vooral op dat de thymines gekenmerkt worden door vrij hoge T1‐
tijdsconstanten in vergelijking met deze van de wild type. De guanines daarentegen beschikken dan
weer over iets lagere waarden. Dit gedrag lijkt ook min of meer te worden weerspiegeld in het 2D
spectrum: de guanines vertonen onderling iets minder intense nOe‐contacten dan de thymines. Een
toekenning blijft mogelijk maar wordt hier iets moeilijker om uit te voeren door de hoge mate van
signaaloverlap in het guaninegebied. Dit kan wederom verklaard worden door het introduceren van
een GC‐basenpaar, analoog aan de voorgaande sequentie.
5’-GGCCATTTGCAGCG-3’3’-CCGGTAATCGTCGC-5’
Figuur 3.5 Toekenning iminoprotonen C2G27 via 2D NOESY
T18
T7
T6
G16
G9G12
G19TT(1) TT(2)T24
G26
G25
G27
Figuur 3.8 Sequentie G2C27
36
Base T1 (ms)
T18 203,3
T7 159,0
T6 163,9
T24 173,2
G16 79,7
G26, G9 a
G12 89,1
G25, G19 a
TT(1) 19,3
TT(2) 53,5 akan niet bepaald worden door signaaloverlap
Tabel 3.4 T1‐tijdsconstante van de iminoprotonen van G2C27 bij 5°C
Het spectrum werd opgenomen bij een temperatuur van 15°C, met een tm van 150ms en 64 scans.
Zoals verder ook in de analyse van de temperatuurstudies zal blijken, is het aangepaste basenpaar
niet zichtbaar in het spectrum. Een meting met een mengtijd van 80ms zou dus hier ook geen nut
hebben.
De thymines kunnen duidelijk van elkaar worden onderscheiden, terwijl de guanines bijna volledig
samenvallen onder 4 gezamenlijke signalen. G16 en G12 zijn de enige guanine basenparen die vrij
zijn van overlap terwijl G26, G9 en G25, G19 paarsgewijs met elkaar overlappen. Het aangepaste
T18 T7
T6
G16G9G12
G19TT(1)
TT(2)
T24
G26G25
Figuur 3.9 Toekenning iminoprotonen G2C27 via 2D NOESY
37
basenpaar lijkt dus een extra vorm van symmetrie te introduceren in de sequentie waardoor er
zoveel signalen samenvallen. Vanuit het oogpunt van toekenbaarheid van het iminogebied, moet
deze sequentie het dus duidelijk ook afleggen ten opzichte van de wild type.
3.6Conclusie
De toekenning van de verschillende sequenties aan de hand van de 2D NOESY spectra is vrij makkelijk
door te voeren al blijkt sequentie G2C27 toch wel duidelijk enige hinder te ondervinden van de hoge
mate van signaaloverlap.
Aangezien alle bestudeerde sequenties veertien basenparen bevatten en de mismatch aanleiding
geeft tot twee individuele signalen, zijn er maximum 15 signalen die men kan verwachten om toe te
kennen. Zoals reeds aangegeven, zijn bij alle sequenties echter de twee terminale GC‐basenparen
niet terug te vinden in de spectra. Dit brengt het maximum aantal toekenbare signalen terug op 13.
Hoewel bij alle sequenties, met uitzondering van G2C27, deze 13 basenparen kunnen worden
toegekend, zijn niet alle iminoprotonen vrij van enige overlap. Wanneer enkel de signalen in
beschouwing worden genomen die relatief vrij zijn van overlap, komt dit niet noodzakelijk overeen
met het aantal toekenbare basenparen. Zo zijn enkel bij de wild type als bij C2G27 alle signalen vrij
duidelijk geresolveerd. Bij C9G20 wordt dit aantal al teruggebracht tot 11 stuks, terwijl bij G5C24 en
G2C27 nog 10 vrij duidelijke signalen kunnen worden teruggevonden. Het is dus duidelijk dat op het
vlak van toekenning of de wild type of C2G27 te verkiezen zijn. Wanneer dan ten slotte nog de
toekenbaarheid over het volledige temperatuurbereik in beschouwing wordt genomen (zie ook
hoofdstuk 4), is het duidelijk dat ook hier de wild type in eerste instantie naar voor komt als de beste
kandidaat, daar waar C2G27 bij bepaalde temperaturen toch geplaagd wordt door beduidend meer
signaaloverlap.
Wanneer de T1‐waarden worden vergeleken tussen de verschillende duplexen, zijn er duidelijke
trends vast te stellen. Bij 2 sequenties, C9G20 en G2C27, worden de thymines gekenmerkt door een
beduidend grotere waarde voor de T1 dan het geval is bij de guanines. Bij de wild type en C2G27 is dit
niet het geval, hoewel basen T18 en T6 steeds over hoge T1‐waarden beschikken. Ook is het
opmerkelijk dat bij deze twee laatstgenoemde sequenties beide iminoprotonen van de T‐T mismatch
overeenkomen met de minima in T1‐tijden. Daar waar ze bij C2G27 beter aansluiten bij de andere
waarden.
Buiten T18 en T6, blijkt er dus geen echte trend te ontdekken in de T1‐waarden voor de verschillende
signalen en zijn deze eerder afhankelijk van duplex tot duplex. Het is ook opmerkelijk dat ondanks
minimale wijzigingen G2C27 en C2G27 duidelijke verschillen vertonen. De oorzaak hiervan is niet
duidelijk.
38
3.7Referenties
1. Wuthrich, K., et al., Sequential Resonance Assignments As A Basis For Determination Of Spatial Protein Structures By High‐Resolution Proton Nuclear Magnetic‐Resonance. Journal of Molecular Biology, 1982. 155(3): p. 311‐319.
2. Gervais, V., et al., Solution Structure Of 2 Mmismatches A‐Center‐DOT‐A And T‐Center‐DOT‐T In The K‐RAS Gene Context By Nuclear‐Magnetic‐Resonance And Molecular‐Dynamics. European Journal of Biochemistry, 1995. 228(2): p. 279‐290.
Vooraleer de resultaten per sequentie worden besproken is het belangrijk om de observaties te
kunnen kaderen binnen een theoretisch model. Door ons te voorzien van de nodige achtergrond kan
tot een duidelijkere interpretatie overgegaan worden. Het model dat hier wordt aangereikt staat
bekend als het zogenaamde “two‐state model” en beschrijft hoe een DNA duplex zich gedragen in
een protisch solvent en hoe dit gedrag zich manifesteert in het gedrag van de iminosignalen in het 1H
NMR spectrum [2], [3].
Een iminoproton betrokken in een waterstofbrugbinding binnen een DNA basenpaar is, in eerste
instantie, beschermd tegen het aanwezige solvent en zal dus ook niet uitwisselen met de labiele
waterprotonen. De typische weergave van de dubbele helix suggereert een starre structuur. Het is
echter een feit dat een DNA duplex behoorlijk wat flexibiliteit vertoont waarbij deze
waterstofbruggen niet continu intact worden gehouden maar op gezette tijden worden verbroken.
Ieder basenpaar wordt dus onderworpen aan een evenwicht tussen een open en gesloten toestand.
Dit fenomeen staat ook bekend als “basepair breathing”. Wanneer het basenpaar zich bevindt in de
open toestand, zijn de iminoprotonen wel toegankelijk voor de aanwezige solventmoleculen en kan
dus het iminoproton uitwisselen met één van de in nabijheid aanwezige solventprotonen.
40
Dit uitwisselingsproces kan onderverdeeld worden in drie verschillende stappen of fasen [4], [5].
1. Opening van het beschouwde basenpaar
2. Uitwisseling van het nu toegankelijke iminoproton met een proton van het aanwezige
solvent (de eigenlijke chemische uitwisseling)
3. Sluiting van het basenpaar
De verschillende stappen, schematisch uitgewerkt, kunnen worden teruggevonden in figuur 4.1
Binnen deze figuur stel Kd de dissociatieconstante voor van het basenpaar dat bepaald wordt door de
verhouding van de snelheidsconstante voor de opening en sluiting van het basenpaar, respectievelijk
kop en kcl.Ten slotte is ktr de snelheidsconstante voor de uitwisseling van het iminoproton met het
solvent. De levensduur van het basenpaar in gesloten toestand, τcl en de levensduur van het
basenpaar in open toestand τop, samen met de dissociatieconstante Kd kunnen aan de hand van
bovenstaande snelheidsconstanten worden gedefinieerd als volgt:
1
1
De uitwisselingstijd (exchange time, figuur 4.1), τex, komt overeen met de tijdsduur van het volledige
uitwisselingsproces samen met het openen en sluiten van het basenpaar. In de literatuur wordt
hiervoor typisch een waarde gevonden dat zich situeert op de tientallen ms tijdschaal of groter.
De snelheidsbepalende stap binnen dit meerstapsproces is de uitwisseling van het iminoproton naar
het solvent wanneer het basenpaar zich in de open toestand bevindt [6]. Deze stap kan worden
versneld door de aanwezigheid van een protonacceptor zoals ammoniak, NH3, die deze stap
katalyseert en dus de duur van het totale uitwisselingsproces zal verkorten. Dit type van katalysator
wordt ondermeer gebruikt in metingen voor het bepalen van τcl, d.i. de levensduur van een
basenpaar in de gesloten toestand [7].
Verder is het nog belangrijk om op te merken dat de snelheidsconstanten kop en kcl niet worden
beïnvloed door de aanwezigheid van een protonacceptor, maar karakteristiek zijn voor het type
τcl τop
Kd ktr Kd
τ ex , exchange time
Figuur 4.1 Schema met verschillende stappen betrokken in de chemische uitwisseling van een iminoproton met een proton van het aanwezige solvent. Rode bolletjes stellen protonen van water voor, zwarte de iminoprotonen.
41
basenpaar. Daarentegen gaat een verandering in temperatuur wel degelijk een invloed hebben op
alle snelheidsconstanten in dit proces.
Met deze theoretische achtergrond moet het nu mogelijk zijn om de verschillende observaties
gedurende de metingen beter te kunnen interpreteren.
Naast bovenstaand model dat het mogelijk maakt om de latere observaties te helpen interpreteren is
er nog een ander aspect waarmee rekening moet worden gehouden, meer bepaald de aard van de
geobserveerde iminoproton. Deze zijn uitwisselbaar met het solvent water. Bovendien zijn de
protonen van het solvent water nog eens in sterke overmaat aanwezig, wat de uitwisseling alleen
nog maar bevoordeelt.
Door het proces van chemische uitwisseling, wisselen de betrokken protonen continu van chemische
omgeving. Dit kan als volgt schematisch worden voorgesteld:
waarbij:
A en B twee verschillende chemische omgevingen voorstellen voor een proton (bvb: een
hydroxylgroep van sucrose en een watermolecule), elk gekenmerkt door een verschillende
chemische verschuiving ωA en ωB.
k1 en k‐1 de snelheidsconstanten zijn voor de uitwisselingsreactie van het proton van A naar B
en omgekeerd
Verder wordt gewerkt met een totale uitwisselingssnelheidsconstante kex dat gedefinieerd wordt als:
waarbij:
En overeenkomt met de gemiddelde levensduur van het proton in de onderscheidbare
chemische omgevingen A en B.
Het feit dat zo’n chemisch uitwisselingsproces aan de gang is tijdens de meting heeft zijn gevolgen in
het al dan niet waarnemen van (één, twee of geen) signalen. Schematisch gezien kunnen de
verschillende situaties worden weergegeven zoals voorgesteld in figuur 4.2.
Hierbij zijn twee grootheden van belang. Enerzijds is er het frequentieverschil = |ωA – ωB| van een proton tussen beide chemische omgevingen. Deze bepaalt de zogenaamde NMR tijdschaal.
Anderzijds is er de uitwisselingssnelheidsconstante kex die de tijdschaal van het uitwisselingsproces
42
kenmerkt. In functie van hun onderlinge relatie kunnen 3 verschillende regimes onderscheiden
worden:
Trage uitwisseling:
Bij een voldoende lage
temperatuur verloopt de
uitwisseling van de labiele
iminoprotonen zoals alle andere
kinetische processen doorgaans
trager dan bij hogere
temperaturen. In deze situatie
zal de uitwisselingsnelheids‐
constante kleiner zijn dan
het frequentieverschil van de
twee signalen van de
beschouwde protonen die
overeenkomen met twee
(verschillende) chemische
omgevingen A en B. We zeggen
dat de uitwisseling traag is op de
NMR tijdschaal. Bijgevolg zijn
deze twee signalen ook elk apart
zichtbaar in het 1H 1D‐spectrum.
Snelle uitwisseling:
Bij een voldoende hoge temperatuur verloopt de uitwisseling van de labiele iminoprotonen
naar water en terug zodanig snel dat de uitwisselingsnelheidsconstante groter is dan het
frequentieverschil ∆ tussen de twee chemische omgevingen A en B. In deze situatie zal
slechts één enkel uitgemiddeld signaal zichtbaar zijn, we zeggen dat de uitwisseling snel is op
de NMR tijdschaal.
Middelmatige uitwisseling:
Wanneer de temperatuur niet hoog genoeg is voor een snelle uitwisseling maar ook niet laag
genoeg is voor een trage uitwisseling op de NMR tijdschaal, wordt er gesproken van een
situatie van middelmatige of intermediaire uitwisseling op de NMR tijdschaal. In deze situatie
is de uitwisselingsnelheidsconstante ongeveer gelijk aan het frequentieverschil ∆ en
kan er gesproken worden van een regime dat tussen de twee extremen (snelle en trage
(a) (b)
kex = 0 s-1
kex/ = 0
kex = 300 s-1
kex/ = 0.12
kex = 1500 s-1
kex/ = 0.60
kex = kex/ = 1
kex = 7000 s-1
kex/ = 2.79
kex = 30000 s-1
kex/ = 11.94
Figuur 4.2 [1] Drie mogelijke situaties van uitwisseling van een proton tussen twee onderscheidbare chemische omgevingen. (a) gelijke populaties beide omgevingen (b) één omgeving in overmaat
aanwezig
43
uitwisseling) inzit. Dit resulteert in een spectrum waar de beschouwde signalen breed
worden uitgesmeerd over het frequentie interval dat zich tussen de twee oorspronkelijke
afzonderlijke signalen bevond. We spreken van coalescentie.
De lijnverbreding waarneembaar bij intermediaire uitwisseling op de NMR tijdschaal verschijnt niet
plotseling, maar groeit gestaag naarmate van trage tot intermediaire uitwisseling overgegaan wordt,
b.v. omdat bij vast frequentieverschil ∆ , vergroot naarmate de temperatuur stijgt. Na
coalescentie, neemt de lijnverbreding vervolgens weer af, naarmate overgegaan wordt van
intermediaire naar snelle uitwisseling.
Zoals reeds duidelijk blijkt uit de bovenstaande figuur kan binnen deze regimes nog eens een
onderscheid worden gemaakt in functie van de relatieve populatie van de twee chemische
omgevingen. In werklijkheid is het solvent (water) in zeer sterke overmaat aanwezig. Voor dergelijke
situatie kan aangetoond worden dat het intense signaal geen verbreding noch verschuiving zal
ondervinden in het spectrum. Voor het minderheidssignaal (hier de iminoprotonen) zullen de
signalen sterk verbreden en verschuiven lang voordat het intermediair uitwisselingsregime bereikt is
[1]. Als gevolg hiervan kunnen deze signalen reeds verdwijnen terwijl er nog sprake is van trage
uitwisseling op de NMR tijdschaal, deze situatie kan worden teruggevonden in figuur 4.2 situatie (b).
Wanneer beide omgevingen in gelijke mate zijn vertegenwoordigd, is situatie (a) van toepassing en
zijn beide signalen langer zichtbaar dan het geval is in situatie (b).
Teruggrijpend naar het two‐state model, moeten twee verschillende uitwisselingsprocessen tussen
drie verschillende omgevingen beschouwd worden. Enerzijds is er de conformationele uitwisseling
tussen een gesloten en open vorm van het basenpaar, waardoor het iminosignaal afwisselend de
chemische verschuiving van de open of gesloten vormt aanneemt. Daar waar de iminosignalen in de
gesloten vorm typisch boven de 12 ppm gelegen zijn, is dit in de open vorm eerder onder de 11 ppm
[8]. Daarnaast kan het imino waterstof in de open vorm uitwisseling met een watermolecule, dat
typisch rond 4.8 ppm aangetroffen wordt. Bij neutrale pH, zoals hier gebruikt werd, gebeurt het 2e
uitwisselingsproces nog voldoende traag op de NMR tijdschaal opdat de imino signalen zichtbaar
zouden zijn; we zitten in een situatie analoog aan Figuur 4.2[b] bovenaan. De “basepair breathing”
gebeurt dan weer snel op de NMR tijdschaal, en aangezien de gesloten toestand veruit de meest
voorkomende is, wordt de uitgemiddelde chemische verschuiving gedomineerd door deze vorm.
Naarmate de temperatuur verhoogt, nemen de snelheidsconstanten in waarde toe terwijl ook de
fractie aan open vorm toeneemt, waardoor de chemische verschuiving in toenemende mate
verschuift naar deze van de open vorm en het solvent. Dit wordt evenwel nooit bereikt omdat de
steeds snellere uitwisseling met het solvent leidt tot het verdwijnen van het signaal, zoals
aangegeven in figuur 4.4(b), zelfs indien de voorwaarde ~∆ nog niet bereikt is. Naarmate de
temperatuur verder verhoogt wordt, gaat uiteindelijk ook de duplexstructuur verloren omdat de
opeenvolgende basenparen nauwelijks tot niet meer in de gesloten vorm voorkomen.
De verandering in chemische verschuiving en de lijnbreedte van de iminosignalen kan ons dus
kwalitatieve informatie verschaffen over het gedrag van elk individueel basenpaar in de DNA duplex.
Op dit vlak, biedt dit een andere blik dan deze verkregen uit de smelttemperaturen Tm, opgemeten
Beide thymines blijven hun oorspronkelijke positie behouden in het spectrum maar wisselen
in gedrag door een gewijzigd waterstofbrugpatroon dat geïnduceerd wordt door een verschil
in interactie met het bovenliggende gewisselde basenpaar.
Deze laatste mogelijkheid impliceert dus een verandering in conformatie van de mismatch zelf onder
invloed van de omgekeerde π‐π stacking van bovenliggend basenpaar. Zoals reeds eerder vermeld in
hoofdstuk 3 is het heden onmogelijk om beide TT signalen toe te kennen naar het respectievelijke
thymine in de mismatch.
Om een onderscheid te kunnen maken tussen beide mogelijkheden is het noodzakelijk om over te
gaan tot een poging beide mismatchen te identificeren. Een mogelijkheid zou zijn om in het T‐T
basenpaaréén thymine bouwsteen in te bouwen, zowel in de wild type als C9G20 sequentie, voorzien
van een stabiel isotoop, zoals een 15N in de plaats van het stikstofatoom waarop het beschouwde
iminoproton gebonden is. Door de scalaire 1J1H‐15N koppeling zal het signaal van één van beide
iminoprotonen van de T‐T mismatch worden opgesplitst en dus kunnen worden geïdentificeerd.
T27G26
G25T24 T6
T7
TT(1)
TT(2)
G20
G19T18 G12 G16
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Verhouding TC
Sequentievolgorde basenparen
Figuur 4.13 Vergelijking temperatuurscoëfficiënten C9G20 met wild type
Figuur 4.14 Verhouding temperatuurscoëfficiënten wild type/ C9G20
54
Bovenstaande figuren dienen hetzelfde doel, namelijk een vergelijking maken tussen het
temperatuursgedrag van de wild type en de C9G20 sequentie.
In figuur 4.12 worden de temperatuurscoëfficiënten t.o.v. elkaar uitgezet waarbij een best passende
rechte door de datapunten wordt gefit. In het ideale geval is de richtingscoëfficiënt van de rechte
gelijk aan 1 en vertonen beide sequenties hetzelfde gedrag. Zoals blijkt uit de figuur is dit duidelijk
niet het geval. De voornaamste afwijking is uiteraard te vinden bij de modificatie zelf (G20). Indien
we ervan uitgaan dat het TT1 signaal behoort tot hetzelfde thymine in de sequentie dan is er ook
speake van een belangrijke afwijking voor de iminoprotonen van de mismatch. Bij omwisseling zou er
sprake zijn van een goede overeenkomst. In dit geval zijn de richtings‐ en correlatiecoëfficient
respectievelijk 1,12 ppb/K en 0,62. Worden beide TT en de omwisseling uit de fit verwijderd dan zijn
deze waarden 1,09 ppb/K en 0,55.
Een iets meer intuïtieve interpretatie is mogelijk bij figuur 4.13. Hier wordt de verhouding van
temperatuurscoëfficiëten uitgezet in volgorde van de sequentie. Wanneer het beschouwde
basenpaar hetzelfde gedrag vertoont, ligt de verhouding op een y‐waarde van 1. De grootste
verstoring bevindt zich duidelijk op en rond de mismatch samen met het gewijzigde basenpaar.
Daarnaast lijken de basenparen in de onmiddellijke omgeving (T7 en G19) ook iets te ondervinden
van de gewijzigde situatie. Naarmate men zich verwijdert van de mismatch lijkt het effect af te
zwakken. Echter ook de uiteinden lijken enigszins een ander gedrag te vertonen, een directe
verklaring hiervoor is moeilijk. De gegevens lijken aan te geven dat de omwisseling van één
basenpaar naast de T‐T mismatch toch een globaal effect heeft op de stabiliteit van de volledige
duplex waardoor het gedrag in functie van de temperatuur wijzigt.
4.4.2 MaximalewaarneembaretemperatuurTMax
G26 en G19 zijn omgrind aangeduid aangezien deze signalen niet volledig te volgen zijn over het
volledige temperatuursbereik zodat zij niet vergeleken kunnen worden met de gegevens van de
andere sequenties. Beiden signalen ondervinden overlap met het signaal van G12. Globaal gezien is
er een verschuiving naar lagere temperaturen met zo’n 5 à 10°C, afhankelijk van het type basenpaar
dat wordt bekeken. Dit is dus ook in overeenstemming met de lagere smelttemperatuur voor deze
sequentie ten opzichte van de wild type.
Figuur 4.15 Grafische weergave van de maximale waarneembare temperatuur voor C9G20 (basenparen omringd in het zwart zijn niet te volgen over het volledige temperatuursbereik)
5’
3’
3’
5’
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15
55
Meer specifiek lijkt het basenpaar van G20 duidelijk veel vroeger te verdwijnen, zoals ook al werd
opgemerkt de temperatuurstudie. Dit lijkt te suggereren dat het betreffende basenpaar in mindere
mate een stabilisatie ondervindt door de π‐π stacking interactie met zijn T‐T nabuur dan het geval
was met het oorspronkelijke basenpaar G9C20.
4.4.3 MaximaleT2*‐tijd
Wanneer er een vergelijking wordt gemaakt tussen de temperatuur waarbij de maximale T2* wordt
bereikt, kan er weer een daling gezien worden van 5 à 10°C al naargelang het beschouwde
basenpaar. Dit is opnieuw een bevestiging van de verminderde stabiliteit. Er kan worden
aangenomen dat de rotatie correlatietijd voor beide duplexen gelijk is, gezien hun gelijke moleculaire
dimensies, en dus zijn de verschillen in T2* enkel te wijten aan de invloed van chemische uitwisseling.
Aangezien T2* voor C9G20 in het algemeen bij een lagere temperatuur een maximum bereikt, kan
worden gesteld dat deze duplex in zijn geheel minder stabiel is.
5’
3’
3’
5’
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0 10 20 30 40 50
T 2*‐
tijd (s)
Temperatuur (°C)
T18
T6
T24
TT(1)
TT(2)
Figuur 4.16 T2* in functie van de temperatuur voor een selectie van signalen van C9G20
Figuur 4.17 Grafische weergave maximale T2* C9G20
56
Een laatste opmerking is het feit dat het profiel van de T2* in functie van temperatuur voor
iminoprotonen T18, T24 en T6 niet echt goed zijn gedefinieerd. Een mogelijke verklaring is het
optreden van signaaloverlap waardoor de breedtes op halve hoogtes niet altijd even goed zijn af te
leiden. Het algemene profiel wordt wel min of meer bewaard.
In deze set van aanpassingen in de sequentie wordt een AT‐basenpaar vervangen voor een CG‐
basenpaar. In essentie is het “type” modificatie dus dezelfde als de voorgaande sequentie, enkel is
dit op een grotere afstand van de mismatch. Er kan dus verwacht worden dat de impact van deze
aanpassing eerder beperkt zal zijn aangezien ze zich meer aan de uiteinden van de sequentie bevindt.
5’
3’
3’
5’
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15
5°C
15°C
25°C
35°C
45°C
55°C
60°C
G9 G12
T18G27
T7
T6T24
G16
G26 G25
TT(1) TT(2) G19
Figuur 4.25 Sequentie C2G27
Figuur 4.26 Overzicht temperatuurstudie iminoprotonen C2G27
5’-GCCCATTTGCAGCG-3’3’-CGGGTAATCGTCGC-5’
62
Uit het overzicht blijkt dat deze sequentie ook bij 25°C gekenmerkt wordt door een vrij goede
resolutie, er zijn namelijk dertien signalen zichtbaar. Enkel G19 en G25 hebben last van enige
overlap. De introductie van een extra GC‐basenpaar zorgt er wel voor dat de resolutie in de regio van
de guanines iets minder ideaal is ten opzichte van de wildtype. De thymines kennen een bijna
identiek verloop in functie van de temperatuur als bij de wild type.
De smelttemperatuur van deze sequentie ligt ook iets hoger, en bedraagt 53,2°C. Dit valt opnieuw te
verwachten door de introductie van een nieuwe GC‐eenheid in plaats van de AT.
Figuur 4.27 Chemische verschuiving in functie van de temperatuur voor C2G27
De temperatuurscoëfficiënten zijn opgenomen in Tabel 4.4
terwijl de vergelijking met de wild type wat betreft
temperatuursgedrag teruggevonden wordt in figuur 4.28 en
4.29. Volgens figuur 4.28 zijn er geen al te grote afwijkingen
terug te vinden, buiten T7 en het aangepaste basenpaar zelf
(G27). Wanneer er echter wordt gekeken naar figuur 4.29
kunnen er twee grote afwijkingen worden teruggevonden.
Een eerste afwijking, die ook binnen de verwachtingen valt, is
te situeren op en rond het aangepaste basenpaar. Het GC‐
basenpaar verschuift duidelijk minder snel in functie van de
temperatuur in vergelijking met de oorspronkelijke AT‐
eenheid.
9,5
10,5
11,5
12,5
13,5
14,5
0 10 20 30 40 50 60
Chemische verschuiving δ(ppm)
Temperatuur (°C)
T18T7T6T24G27G26G16G9G12G25G19TTTT
Base TC (ppb/K)
T7 ‐7,40 ± 0,17
T24 ‐6,40 ± 0,06
T6 ‐6,10 ± 0,08
T18 ‐5,50 ± 0,06
TT(1) ‐4,50 ± 0,18
G27 ‐3,50 ± 0,15
G26 ‐3,20 ± 0,08
G9 ‐3,10 ± 0,10
G25 ‐3,10 ± 0,04
G16 ‐3,20 ± 0,06
G19 ‐2,30 ± 0,08
G12 ‐2,3 ± 0,05
TT(2) ‐0,2 ± 0,04
Tabel 4.4 Temperatuurscoëfficiënten C2G27
63
De aangebrachte aanpassing heeft duidelijk ook zijn gevolgen op het gedrag van de directe naburen.
Voorts neemt het effect af naarmate men zich verder in de sequentie begeeft, en dit is ook wat er
verwacht wordt. Een tweede afwijking die duidelijk zichtbaar is in de figuur is de afwijking van TT(2).
Deze lijkt plots veel minder op te schuiven naar lagere ppm‐waarden dan het geval is bij de wild type
naarmate de temperatuur toeneemt. Bij nadere inspectie blijkt dit verschil in
temperatuurscoëfficiënt in absolute waarde niet al te groot te zijn: ‐0,7 ppb/K voor de wild type in
vergelijking met ‐0,2 ppb/K voor C2G27. Het feit dat dit al kleinere waarden zijn, zorgt ervoor dat de
verhouding van beide waarden een grotere verandering inhoudt dan dat deze eigenlijk is.
T6
G12 G16
G19
G25G26
G9
T18T24
G27
T7
TT(1)
TT(2)
TC(C2G27) = 1,2TC(wt) + 0,24R² = 0,7942
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 1 2 3 4 5 6 7
Temperatuurscoëfficiën
t C2G27 (ppb/K)
Temperatuurscoëfficiënt wild type (ppb/K)
G27
G26 G25T24 T6
T7 TT(1)
TT(2)
G9 G19 T18G12
G16
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Verhouding TC
Sequentievolgorde basenparen
Figuur 4.28 Vergelijking temperatuurscoëfficiënten C2G27 met wild type
Figuur 4.29 Verhouding temperatuurscoëfficiënten wild type/ C2G27
64
4.6.2 MaximalewaarneembaretemperatuurTMax
Gezien de directe omgeving rond het aangepast basenpaar niet te volgen is over het volledige
bereik, is het aan te raden enkel een vergelijking te maken met de regio’s de wel goed te volgen zijn.
In die context valt het op dat er weinig verschil is met de wild type. G9 lijkt iets vroeger te verdwijnen
dan oorspronkelijk het geval is, maar andere verschillen nauwelijks. Dit is ook vrij logisch gezien de
aanpassing zich bijna uiterst links bevindt in de sequentie en dus de meer centrale basenparen,
samen met die in de rechtertak, hiervan geen invloed ondervinden. Zoals ook te zien is in de
vergelijking van de temperatuurscoëfficiënten, gedraagt deze sequentie zich dus sterk analoog aan
de wild type maar zijn de basenparen uiterst links (G27 en G26) minder ver te volgen.
4.6.3 MaximaleT2*‐tijd
0,003
0,008
0,013
0,018
0,023
0,028
0 10 20 30 40 50 60
T 2*tijd (s)
Temperatuur (°C)
T18
T6
T24
TT(1)
TT(2)
Figuur 4.31 T2* in functie van de temperatuur voor een selectie van signalen
5’
3’
3’
5’
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15
Figuur 4.30 Grafische weergave van de maximale waarneembare temperatuur voor C2G27 (basenparen omlijnd in het zwart zijn niet te volgen over het volledige temperatuursbereik)
65
Ook hier wordt weer bevestigd wat reeds kan worden geobserveerd in de voorgaande figuren: deze
sequentie gedraagt zich voor de selectie van gevolgde signalen nagenoeg identiek aan de wild type.
De mate waarin chemische uitwisseling met het solvent gaat ingrijpen op de verschillende, zij het
centraal gelegen, signalen wordt dus niet beïnvloed door de aanpassing van het basenpaar. Het zou
interessant geweest zijn om te kunnen zien hoe het aangepaste basenpaar zelf verschilt in dit gedrag
maar door het feit dat ze niet te volgen is over het volledige temperatuursgebied (het signaal is
slechts te volgen van 5 tot 30°C), kan er geen betrouwbare conclusie worden getrokken.
Deze laatste alternatieve sequentie die onderzocht werd is van hetzelfde genre als de voorgaande:
het AT basenpaar is vervangen door een GC, m.a.w. het betreft hier een “base‐flip” van het CG‐
basenpaar in de voorgaande sequentie.
De smelttemperatuur ligt ook iets hoger dan die van de wild type, zo’n 51°C. Dit is dezelfde
observatie als het geval is bij de voorgaande sequentie. Dit is dus opnieuw een bevestiging van de
extra stabilisatie door de introductie van een extra waterstofbrug.
Wat opvalt wanneer er wordt gekeken naar het algemene uitzicht van de spectra is dat, ondanks het
feit dat er gewoon een basenpaar wordt omgedraaid, er een vrij groot verschil is waar te nemen.
Deze sequentie blijkt veel hinder te ondervinden van signaaloverlap in de regio van de guanines. De
thymines zijn, zoals in de meeste gevallen, goed te volgen over het volledige temperatuursbereik.
De signalen blijven duidelijk zichtbaar over nagenoeg het volledige temperatuursbereik, maar zijn
door de overlap van de guanines niet goed te onderscheiden. Dit laatste maakt een volledige analyse
van de duplex moeilijk. In dit opzicht is deze sequentie dus ook minder ideaal voor NMR onderzoek
dan de wild type.
Figuur 4.33 Sequentie G2C27
5’
3’
3’
5’
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15
Figuur 4.32 Grafische weergave maximale T2* C2G27
5’-GGCCATTTGCAGCG-3’3’-CCGGTAATCGTCGC-5’
66
Figuur 4.35 Chemische verschuiving in functie van de temperatuur voor G2C27
9
10
11
12
13
14
0 10 20 30 40 50 60
Chemische verschuiving δ(ppm)
Temperatuur (°C)
T18T7T6T24G16G26 G9G12G25TT(1)TT(2)G19
5°C
15°C
25°C
35°C
45°C
55°C
60°C
Figuur 4.34 Overzicht temperatuurstudie iminoprotonen G2C27
G19
T18
G9
T7
T6 T24
G16
G26
G25
TT(1) TT(2)
G12
67
De temperatuurscoëfficiënten zijn opgenomen in Tabel
4.5 terwijl de vergelijking met de wild type wat betreft
temperatuursgedrag teruggevonden wordt in figuur 4.36
en 4.37. Opnieuw wordt er weinig verschil waargenomen,
gezien de richtingscoëfficiënt van de trendlijn nagenoeg
gelijk is aan 1. Enkel T7, G9 en TT(2) lijken enige afwijking
te vertonen. Uit voorgaande analyses blijkt echter dat
deze basenparen wel altijd in een kleine hoeveelheid
afwijken in de vergelijkingen. Wat echter wel opmerkelijk
is, is dat het aangepast basenpaar zelf niet zichtbaar is in
de spectra en dus ook niet opgenomen is in deze analyse.
Het iminosignaal van dit basenpaar wordt dus ook
verondersteld continu in het regime van snelle
uitwisseling op de NMR tijdschaal te vertoeven, net als
het geval is met de twee uiteinden van alle sequenties.
In figuur 4.37 is het duidelijk dat de aanpassing van het basenpaar een invloed heeft op zijn directe
naburen en dat deze afneemt naarmate men verder kijkt in de sequentie. Zoals ook eerder vermeld,
vertoont TT(2) ook enige wijziging in gedrag. Dit hangt samen met het bovenliggende basenpaar, zij
het dat dit in iets mindere mate afwijkt dan TT(2). De schijnbare wijziging in het gedrag van TT(2)
heeft hoogstwaarschijnlijk dezelfde reden als bij de voorgaande sequentie. Door de kleine
temperatuurscoëfficiënt in TT(2) worden verschillen uitvergroot. Bij G9 heeft het afwijkende gedrag
waarschijnlijk meer te maken met het feit dat deze overlapt met G26, waardoor de analyse zelf niet
altijd even nauwkeurig kan verlopen.
Tabel 4.5 Temperatuurscoëfficiënten G2C27
Base TC (ppb/K)
T7 ‐7,76 ± 0,15
T24 ‐6,54 ± 0,10
T6 ‐6,36 ± 0,05
T18 ‐5,74 ± 0,08
TT(1) ‐4,35 ± 0,24
G16 ‐4,01 ± 0,23
G25 ‐3,30 ± 0,15
G12 ‐2,73 ± 0,10
G26, G9 2,49 ± 0,13
G19 ‐2,39 ± 0,09
TT(2) ‐0,47 ± 0,06
T6
G12
G16
G19G25
G26
G9
T18
T24T7
TT(1)
TT(2)
TC(G2C27) = 1,06TC(wt) + 0,35R² = 0,8136
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0
Temperatuurscoëfficiën
t G2C27 (ppb/K)
Temperatuurscoëfficiënt wild type (ppb/K)
Figuur 4.36 Vergelijking temperatuurscoëfficiënten G2C27 met wild type
68
4.7.2 MaximalewaarneembaretemperatuurTMax
Figuur 4.38 Grafische weergave van de maximale waarneembare temperatuur voor G2C27 (basenparen omlijnd in het zwart zijn niet te volgen over het volledige temperatuursbereik)
De basenparen die in deze figuur staan aangeduid, zijn te volgen over het volledige
temperatuursbereik, maar vallen wel altijd deels samen met een ander signaal. Zo overlappen G9 en
G26 bij nagenoeg alle temperaturen, terwijl G19 en G25 ook een overlap ondervinden. Hiermee
rekening houdend lijkt de rechtertak van deze sequentie niet erg veel te verschillen met de wild type.
De linkertak daarentegen lijkt iets stabieler te zijn: zelfs wanneer de overlappende signalen niet
worden meegerekend, vertoont T7 nog altijd een iets stabieler gedrag (45°C in wild type versus 50°C
hier). Verder zijn er echter geen grote veranderingen te bemerken, wat ook weer als verwacht
gedrag kan worden beschouwd gezien de aard en plaats van de aanpassing.
G26 G25 T24 T6
T7
TT(1)
TT(2)G9
G19 T18G12 G16
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Verhouding TC
Sequentievolgorde basenparen
Figuur 4.37 Verhouding temperatuurscoëfficiënten wild type/ G2C27
5’
3’
3’
5’
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15
69
4.7.3 MaximaleT2*‐tijd
Figuur 4.39 T2* in functie van de temperatuur voor een selectie van signalen
Figuur 4.40 Grafische weergave maximale T2* G2C27
Voor de selectie van signalen die worden gevolgd voor het bepalen van de temperatuur waarbij hun
T2* maximaal wordt, is er geen verschil met de overeenkomstige signalen van de wild type.
Aangezien het hier opnieuw vrij centrale basenparen betreft die op voldoende afstand liggen van de
aanpassing in de sequentie is dit ook vrij normaal gedrag dat in de lijn der verwachtingen ligt.
Als algemene conclusie voor het maximum in T2*worden per gevolgd signaal voor alle sequenties de
verlopen van de T2* in functie van de temperatuur nog eens uitgezet om na te gaan of het algemeen
profiel van de curven overeenkomt (niet getoond). Dit blijkt inderdaad het geval en het is ook
duidelijk dat alle signalen van de C9G20 sequentie wel degelijk een verschuiving naar lagere
temperaturen vertonen. Dit bevestigd dus nog eens de conclusie dat er bij lagere temperaturen de
basenparen al voldoende in de open toestand vertoeven om snelle uitwisseling mogelijk te maken.
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030
0 10 20 30 40 50 60
T 2*‐tijd (s)
Temperatuur (°C)
T18
T6
T24
TT(1)
TT(2)
5’
3’
3’
5’
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15
70
De andere sequenties worden gekenmerkt door een bijna volledig uniform verloop in T2*. Dit leidt
dan tot de conclusie dat de chemische uitwisseling bijna altijd bij dezelfde temperatuur ingrijpt.
4.7.4 VergelijkingC2G27metG2C27
Net zoals het interessant is om alle alternatieve sequenties te vergelijken met de wild type is het in
dit geval ook nuttig om een vergelijking te maken tussen de twee laatst besproken duplexen.
Aangezien deze twee enkel verschillen op het vlak van de positionering van het 2e basenpaar, zullen
enige wijzigingen in het gedrag gevolg zijn van de manier waarop de verschillende basen met elkaar
interageren.
Aangezien bij G2C27 het aangepaste basenpaar zelf niet te volgen is, wordt deze weggelaten uit de
vergelijking.
Zoals duidelijk blijkt uit zowel figuur 4.41 en 4.42 zijn de verschillen tussen beide sequenties miniem.
Zoals al meermaals is gebleken, blijkt TT(2) weer een afwijking te vertonen die groter lijkt dan ze
eigenlijk is: ‐0,2 ppb/K voor C2G27 en ‐0,47 voor G2C27. Daarnaast lijkt er ook enig verschil te zijn in
gedrag aan de rechteruiteinden van de sequenties, een verklaring daarvoor is niet direct duidelijk.
Wat wel binnen de verwachtingen valt is het afwijkend gedrag van G26 aangezien deze zich net naast
de site van modificatie bevindt en dus een andere π‐π stacking interactie ondervindt al naargelang de
oriëntatie van zijn directe nabuur. Eens voorbij G26 lijkt de impact van het gewisselde GC‐basenpaar
Figuur 4.41 Vergelijking temperatuurscoëfficiënten G2C27 met C2G27
71
4.8Conclusie
Het mag duidelijk zijn dat aan de hand van de temperatuurstudies er wel degelijk een aanzienlijke
hoeveelheid van informatie over het gedrag en stabiliteit van de verschillende sequenties naar voor
is gekomen.
Zo kan aan de hand van de temperatuurscoëfficiënten voor elke basenpaar individueel een mooi
beeld geschetst worden van zijn afhankelijkheid van de temperatuur. Bij elke sequentie vertonen de
temperatuurscoëfficiënten een negatief teken wat er op duidt dat de chemische uitwisseling in
functie van de temperatuur toeneemt naarmate de temperatuur stijgt. Er is dus sprake van een
evolutie van trage uitwisseling naar een regime van steeds snellere uitwisseling op de NMR tijdschaal
met een stijgende temperatuur. Evenwel verdwijnen de signalen overeenkomstig met de
iminoprotonen vooraleer de situatie van coalescentie bereikt wordt, gezien het relatieve
populatieverschil voor protonen op een iminosite versus het solvent.
Verder kan bij alle sequenties een duidelijk onderscheid gemaakt worden tussen de thymines en
guanines: het verschil in stabiliteit ten gevolgen van het verschillend aantal waterstofbruggen wordt
ook gereflecteerd in grootte van de temperatuurscoëfficiënten. De iminoprotonen van de mismatch
vertonen meer een eigen karakter dat bovendien, zoals blijkt uit de observaties bij C9G20 ten
opzichte van de andere sequenties, afhankelijk kan zijn van de π‐π stacking interactie met de
naburige basenparen. Verder onderzoek naar de oorsprong van dit opvallend gedrag is dan ook
aangeraden.
Ten slotte leveren de temperatuurscoëfficiënten ook een handig manier om het gedrag van de
basenparen in functie van de temperatuur te vergelijken tussen de verschillende sequenties. Zoals
G26
G25T24 T6 T7 TT(1)
TT(2)
G9G19 T18
G12
G16
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
3,500
4,000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Verhouding TC
Sequentievolgorde basenparen
Figuur 4.42 Verhouding temperatuurscoëfficiënten G2C27/C2G27
72
blijkt uit de resultaten, kan de grootste verandering in gedrag worden teruggevonden op de plaats
van het aangepaste basenpaar en zijn onmiddellijke omgeving.
Parallel met deze evolutie van trage uitwisseling naar snellere uitwisseling, zal ook de
duplexstructuur meer en meer verloren gaan omdat de opeenvolgende basenparen steeds meer tijd
doorbrengen in open vorm en dus ook steeds meer beschikbaar zijn voor chemische uitwisseling. Het
punt waarop deze chemische uitwisseling overheersend wordt op de andere processen, kan in beeld
gebracht worden door het volgen van de T2* in functie van de temperatuur voor een bepaalde set
van goed geresolveerde signalen over het volledige temperatuursbereik. Deze observaties kunnen
bovendien in overeenstemming worden gebracht met de opgenomen smelttemperaturen. Zo kan in
het geval van C9G20 een duidelijke parallel worden getrokken tussen de lagere smelttemperatuur en
de duidelijke shift van het maximum in T2* naar een lagere temperatuur. Dit impliceert dat
uitwisseling hier ook vroeger zal optreden wat leidt tot de conclusie dat dit een minder stabiele
sequentie is.
Ten slotte, wanneer alle factoren in rekening worden gebracht, blijkt de wild type over de ideale
balans tussen zowel stabiliteit als toekenbaarheid over het volledige temperatuursinterval te
beschikken. Dit is dan ook de aan te raden sequentie bij het verder ontwikkelen van de voorgestelde
serine protease mimic.
4.9Referenties
1. Doctoraatsthesis Dr. Davy Sinnaeve, NMRSTR 2. Nonin, S., J.L. Leroy, and M. Gueron, Terminal Base‐Pairs Of Oligonucleotides ‐ Imino Proton‐
Exchange And Fraying. Biochemistry, 1995. 34(33): p. 10652‐10659. 3. Englander, S.W. and N.R. Kallenbach, Hydrogen‐Exchange And Structural Dynamics Of
Proteins And Nucleic Acids. Quarterly Reviews of Biophysics, 1983. 16(4): p. 521‐655. 4. Doctoraatsthesis van M. Boccongelli, ULB 5. Gueron, M. and J.L. Leroy, Studies of base pair kinetics by NMR measurement of proton
exchange, in Nuclear Magnetic Resonance and Nucleic Acids. 1995, Academic Press Inc: San Diego. p. 383‐413.
6. Bhattacharya, P.K., J. Cha, and J.K. Barton, H‐1 NMR determination of base‐pair lifetimes in oligonucleotides containing single base mismatches. Nucleic Acids Research, 2002. 30(21): p. 4740‐4750.
7. Kochoyan, M., J.L. Leroy, and M. Gueron, Proton‐Exchange And Base‐Pair Lifetimes In A Deoxy‐Duplex Containing A Purine‐Pyrimidine Step And In The Duplex Of Inverse Sequence. Journal of Molecular Biology, 1987. 196(3): p. 599‐609.
8. Gervais, V., et al., Solution Structure Of 2 Mismatches A‐Center‐DOT‐A AND T‐Center‐DOT‐T In The K‐RAS Gene Context By Nuclear‐Magnetic‐Resonance And Molecular‐Dynamics. European Journal of Biochemistry, 1995. 228(2): p. 279‐290.
9. Kemmink, J., et al., H‐1‐NMR Study Of The Exchangeable Protons Of The Duplex D(GCGTTGCG).D(CGCAACGC) Containing A Thymine Photodimer. Nucleic Acids Research, 1987. 15(11): p. 4645‐4653.
73
Hoofdstuk5:NMRonderhetvriespuntmetcryorestrictie
5.1Watiscryorestrictie?
Cryorestrictie is een fenomeen waarbij een vloeistof niet bevriest bij temperaturen (en druk) waarbij
dit normaal gezien wel het geval zou zijn ( voor water bij 0°C en lager) door een fysieke inperking van
de afmetingen van het staal. Anders uitgedrukt: het vriespunt van een vloeistof daalt proportioneel
met het beschikbare volume [1]. In dit hoofdstuk wordt de mogelijkheid nagegaan om via
cryorestrictie in 1mm capillairen metingen bij T<0°C uit te voeren en het gedrag van de uitwisselbare
protonen ook bij deze lage temperaturen te bestuderen. Hierbij zal gebruik gemaakt worden van een
1mm TXI probe. In eerste instantie worden deze metingen uitgevoerd op sucrose, analoog aan een
reeds eerder beschreven studie [1]. Vervolgens wordt de techniek van deze metingen ook toegepast
op enkele van de beschikbare DNA duplexen.
Het vertrekpunt van dit hoofdstuk is de vraag: “wat valt er te winnen met het toepassen van
cryorestrictie op de duplexstalen?” In hoofdstuk 4 is reeds gebleken dat de evolutie van T2* in functie
van de temperatuur voor de gevolgde signalen recht evenredig is, met andere woorden, er is een
toename in T2* naarmate de temperatuur toeneemt. Dit verwacht verloop blijft gehandhaafd totdat
de exchange bijdrage de bovenhand krijgt en er een plotse daling is in T2*. In eerste instantie lijkt het
meten bij lagere temperaturen voor bovenvermelde signalen weinig nut te hebben, immers T2* daalt
naarmate de temperatuur afneemt (zie ook 5.2). Wat echter niet geweten is, is of dat er mogelijk
meer signalen zichtbaar zouden zijn wanneer er wordt gemeten bij lagere temperaturen.
5.2Metingenbijlagetemperatuur(<0°C)
De magnetisatie, die mede bepalend is voor de intensiteit van het gemeten signaal, wordt gegeven
door de wet van Langevin‐Curie (1). Deze formule geeft aan dat de bulkmagnetisatie op
verschillende manieren kan worden beïnvloed. Een triviale manier is om het totaal aantal nuclei ,
en dus de concentratie van een staal te verhogen. De mate waarin men de concentratie kan
verhogen is echter afhankelijk van de beschikbare hoeveelheid product, en is dus vaak ook vrij
beperkt. Bovendien dient men rekening te houden met het optreden van mogelijke concentratie‐
afhankelijke fenomenen, die de mate waarin de concentratie kan worden verhoogd mee zullen
bepalen.
(1)
Met N, het aantal nuclei, γ de gyromagnetische constante, verhouding constante van Planck en 2π, kB constante van Boltzmann, T de temperatuur en B0 de uitwendige magneetveldsterkte. De reden
om te meten bij lage temperaturen heeft, naast het omgekeerd evenredige verband met T in (1), ook
te maken met de aard van de iminoprotonen die geobserveerd worden in de 1D‐spectra: ze zijn
74
uitwisselbaar met het solvent water. Zoals ook reeds eerder werd uiteengezet in hoofdstuk 4,
kunnen er drie verschillende regimes worden onderscheiden al naargelang de verhouding van de
uitwisselingsnelheidsconstante kex en het frequentieverschil ∆ van de iminoprotonen tussen hun
twee chemische omgevingen. Dit maakt meteen ook duidelijk waarom het interessant kan zijn om
naar een situatie van trage uitwisseling te streven, bv. door de temperatuur te verlagen. Omdat
beide omgevingen apart waarneembaar zijn, kunnen ze ook bestudeerd worden en
structuurinformatie leveren. Daarnaast is het in principe ook mogelijk om uit de studie van de
invloed van de uitwisseling op de lijnbreedte ook kinetische informatie over het uitwisselingsproces
te verkrijgen.
Een laatste factor waarmee rekening moet worden gehouden, is de impact van de verandering van
de rotatiecorrelatietijd τC in functie van de temperatuur. Dit is vervat in formule van Debye (2).
(2)
Kleine moleculen worden gekenmerkt door een beduidend kleinere τC dan grote (bio)moleculen (a =
radius van de molecule, verondersteld sferische vorm). Dit heeft zijn gevolgen voor de transversale
relaxatietijdsconstante T2*: hoe groter de rotatiecorrelatietijd, hoe efficiënter de transversale
relaxatie en dus bijgevolg ook hoe groter de lijnbreedte op halve hoogte (FWHM) van de
waargenomen signalen [2]. De vergelijking toont dat naarmate de temperatuur daalt, de
rotatiecorrelatietijd en dus de transversale relaxatiesnelheid toeneemt. Dit wordt verder versterkt
doordat de viscositeit van de oplossing (η) toeneemt met dalende temperatuur. We kunnen dus
besluiten dat het effect van de temperatuur op de lijnbreedte van de signalen van labiele resonanties
complex kan zijn. De dalende temperatuur leidt tot lijnverbreding, wat de resolutie en de signaal‐ruis
verhouding negatief beïnvloedt. Anderzijds zal bij een lagere temperatuur ook de
uitwisselingssnelheid van de labiele protonen met het solvent vertragen, waardoor de signalen
kunnen opscherpen en signalen die bij hogere temperatuur niet zichtbaar waren ook kunnen worden
teruggevonden, naarmate van intermediair naar trage uitiwsseling overgegaan wordt. Dit beïnvloedt
de resolutie en signaal‐ruis verhouding in positieve zin. Het uiteindelijk resultaat zal afhangen van de
balans tussen beide tegengesteld werkende mechanismen. Door cryorestrictie toe te passen willen
we nagaan in welke mate de lijnbreedte van de imino signalen geoptimaliseerd kan worden in een
temperatuursgebied onder het vriespunt van water.
5.3Vereistencryorestrictieenstaalvoorbereiding
Cryorestrictie treedt, zoals eerder vermeld, enkel op wanneer het
volume van een staal wordt beperkt. De 1mm TXI probe, die
beschikbaar is op de 700MHz spectrometer, leent zich hier
uitstekend toe, aangezien de stalen die met deze probe kunnen
worden gemeten bestaan uit een capillair met een diameter van
slechts 1mm, met een staalinhoud van 10 µl.
Figuur 5.1 TXI 1mm probe (Afbeelding van website Bruker)
75
Wanneer er wordt gewerkt met de 1mm TXI probe, in plaats van de 5mm TXI probe, dient men
rekening te houden met de verschillende concentratie‐ en massagevoeligheid van beide probes.
Wanneer er wordt gewerkt bij een gelijke concentratie, zal men op de 1mm probe door het kleiner
staalvolume, ook beschikken over een kleiner aantal nuclei (aantal mol). De reductie van de diameter
van 5 mm naar 1 mm bij eenzelfde hoogte van het meetvolume, veroorzaakt daarom een reductie in
nuclei met een factor 25. Wanneer men echter de performantie van een 5mm en 1mm probe
vergelijkt voor eenzelfde hoeveelheid staal (aantal mol), beschikt de 1mm probeintrensiek over een
vijfvoudig hogere gevoeligheid omdat de gevoeligheid evenredig is met de inverse van de diameter
van de detectiespoel. Wanneer deze twee effecten worden samengeteld, zal men op de 1mm, voor
een staal met een gelijke concentratie, een vermindering in signaal‐ruisverhouding hebben met een
factor 5/25 of ‘slechts’ 5 ten opzichte van de 5mm probe. Dit kan uiteraard opgevangen worden door
een hogere concentratie te gebruiken bij de 1mm probe tov de 5mm probe.
Voor de metingen op sucrose werden drie verschillende stalen voorbereid en onderworpen aan een
temperatuurstudie:
1. 10mM Sucrose in 100mM NaCl en 0,05mM EDTA [S1]
2. 10mM Sucrose in H2O/D2O (90/10) [S2]
3. 10mM Sucrose in H2O/D2O (90/10) + 500mM NaCl [S3]
Elke oplossing werd voorzien van 0,05 mM DSS en 0,01mM NaN3. De staaloplossing die hier wordt
gebruikt voor het eerste staal is dezelfde als eerder vermeld in hoofdstuk 2. Voor de bereiding van
elk van de sucrosestalen werd telkens 6,85 mg sucrose opgelost in 2ml van het vereiste solvent om
vervolgens daaruit een volume van 10µl te gebruiken voor het vullen van een 1mm capillair.
De reeds eerder gebruikte 5mm duplexstalen moeten voor een omschakeling naar de 1mm probe in
een eerste stap worden gevriesdroogd om daarna te worden heropgelost in een kleiner volume van
doorgaans 50µl van de staaloplossing. Dit heeft tot gevolg dat er een hogere concentratie van
zowel duplex als zouten zal aanwezig zijn in deze kleinere volumes. Deze verandering aan
zoutconcentratie kan leiden tot zoutconcentratieafhankelijke veranderingen in de spectra. De meest
logische oplossing van dit probleem is een nieuwe dialysestap, vooraleer de stalen te vriesdrogen,
bestaande uit drie opeenvolgende dialyses, elk over een periode van 4 uur in milliQ H2O, waarbij alle
aanwezige zouten worden verwijderd. Hierbij wordt opnieuw gebruik gemaakt van een filter met
MWCO van 1kDa om zeker te zijn dat er geen staalmateriaal verloren zou gaan. Van de nieuwe
oplossing wordt uiteindelijk 10µl gebruikt voor het vullen van een 1mm NMR buis. Hierdoor werd er
een concentratie bereikt gelegen tussen de 5 en 10mM.
Voor de metingen zelf werd vertrokken van 4°C om vervolgens stapsgewijs de temperatuur te laten
dalen. Hierbij wordt er gelet op de kwaliteit van het lock‐signaal waarbij een plotse afname zou
kunnen wijzen op het bevriezen van het staal, waardoor het uitvoeren van metingen bij deze
temperatuur onmogelijk wordt. Bij de overschakeling naar de verschillende temperaturen werd er
gebruik gemaakt van een N2‐luchtstroom met een debiet van 1335l/h om het staal voldoende te
kunnen afkoelen. Verder werd er tussen het instellen van de temperaturen een wachtperiode van 15
à 20 minuten gerespecteerd om de temperatuur van het staal voldoende tot evenwicht te laten
komen en om zeker te zijn dat de ingestelde temperatuur ook daadwerkelijk de gewenste
temperatuur is.
76
5.4Resultatentemperatuurstudies5.4.1 Sucrose
5.4.1.110mMSucroseinduplexstaaloplossing[S1]
Zoals reeds werd vermeld in de inleiding van dit hoofdstuk, zijn deze metingen eerst uitgevoerd op
het testsysteem sucrose.
Algemeen ziet het 1D 1H spectrum van sucrose er als volgt uit, met de verschillende regio’s van
interesse aangeduid op de figuur.
Figuur 5.2 1D 1H spectrum sucrose 10mM in staaloplossing (4°C)
De hydroxylprotonen zijn al zichtbaar bij 4°C.
Deze signalen zullen echter verder
opscherpen naarmate de temperatuur wordt
verlaagd. Een volledige toekenning van deze
signalen is mogelijk door het opmeten van
een COSY‐spectrum bij ‐10°C. De globale toe‐
kenning van de signalen uit het 1D proton
spectrum kan worden teruggevonden in
figuur 5.4. De volledige structuuranalyse van
de verschillende protonen en bijhorende
spectra kunnen terug worden gevonden in de
appendix (hoofdstuk 7).
Niet‐uitwisselbare protonen
Hydroxylprotonen
Anomeer proton DSS
O
HO
OH
OHHO
O
O
OH
HO
OH
OH
1
2
3
45
6
1'
2'
3'4'
5'6'
Figuur 5.3 Overzicht toekenning sucrose
77
Eenmaal duidelijk is welke signalen overeenkomen met welke protonen, kan de temperatuurstudie in
de staaloplossing [S1] worden overlopen. Aangezien de nadruk in deze metingen ligt op het
observeren van de uitwisselbare hydroxylprotonen wordt in de overzichten alleen nog de spectrale
regio van deze signalen getoond.
De laagst mogelijke temperatuur bij deze metingen was ‐13°C, hierna werd er een sterke daling in
het lock‐signaal waargenomen wat een indicatie kan zijn van het bevriezen van het staal.
Figuur 5.5: 1D 1H spectra gaande van 4°C t.e.m. ‐13°C (staaloplossing, 10mM)
6OH 1’OH 2OH
4, 3, 6’OH
3’OH 4’OH
‐10°C
‐8°C
‐4°C
0°C
4°C
‐13°C
‐12°C
‐11°C
Figuur 5.4 Toekenning uitwisselbare en niet‐uitwisselbare protonen(staaloplossing, ‐10°C )
1’
2 43
5, 6, 6’
5’4’
3’
78
Zoals eerder reeds vermeld neemt de intensiteit van de verschillende signalen duidelijk toe naarmate
de temperatuur verder daalt, samen met de het vertonen van kleinere lijnbreedtes wat verklaard kan
worden door een vertraging in de uitwisselingsnelheid met het solvent water. Bovendien kunnen de
signalen van hydroxylgroep 3’OH en 4, 3 en 6’OH die oorspronkelijk samenvallen steeds beter
onderscheiden worden van elkaar, m.a.w. ook de resolutie van de spectra gaat er op vooruit. Er blijkt
echter wel min of meer een bovengrens te zijn betreft de toename in signaalintensiteit: gaande van ‐
10°C tot ‐13°C zijn de veranderingen in intensiteit miniem en is het twijfelachtig of het nuttig is om te
proberen om de temperatuur nog verder te laten dalen.
Het is echter wel opmerkelijk dat de hydroxylsignalen reeds vrij duidelijk te voorschijn komen bij een
temperatuur van 4°C, terwijl in de literatuur vermeld wordt dat brede hydroxylsignalen in
geconcentreerde suikeroplossingen pas te zien zijn bij een temperatuur van ‐6°C [3]. Om na te gaan
of het aanwezige NaCl in de standaardoplossing (100mM) hier enige invloed zou kunnen hebben,
werden er nog twee nieuwe stalen met eenzelfde sucroseconcentratie voorbereid en gemeten (zie
ook paragraaf 5.3):
10 mM Sucrose in H2O/D2O (90/10) [S2]
10 mM Sucrose in H2O/D2O (90/10) + 500mM NaCl [S3]
5.4.1.2 10 mM Sucrose in H2O/D2O (90/10) [S2]
Dit staal werd op een identieke manier opgemeten aan het voorgaande staal en de resultaten van de
temperatuurstudie kunnen worden teruggevonden in figuur 5.6 waarbij opnieuw enkel de regio van
de hyroxylprotonen wordt getoond aangezien de overige signalen in het spectrum identiek zijn aan
het voorgaande staal.
Figuur 5.6 1D 1H spectra gaande van 4°C t.e.m. ‐16°C (H2O/D2O 90/10, 10mM)
‐12°C
‐8°C
‐4°C
0°C
4°C
‐14°C
‐16°C
79
Het is duidelijk dat hier weer dezelfde trend naar voor komt als het geval was bij de metingen in de
staaloplossingen: de hydroxylprotonen worden vrij snel en duidelijk zichtbaar, Bij overeenkomstige
temperaturen zijn de hydroxylresonanties er echter breder en minder intens dan het geval is bij S1.
Dit is bv. heel duidelijk het geval bij een temperatuur van 4°C. Dit impliceert dat de uitwisseling van
deze labiele protonen wordt beïnvloed door de aanwezigheid van NaCl.
In een poging na te gaan of het effect van het aanwezige NaCl concentratieafhankelijk is werd nog
een derde staal S3, met een hoge NaCl concentratie onderworpen aan een dergelijke
temperatuurstudie.
5.4.1.3 10 mM Sucrose in H2O/D2O (90/10) + 500mM NaCl [S3]
Dit staal werd opnieuw op een volledige analoge manier verwerkt aan de twee voorgaande stalen en
de resultaten van deze temperatuurstudie kunnen op hun beurt worden teruggevonden in figuur 5.7.
Er kan worden opgemerkt dat de resultaten gelijklopend zijn aan het eerste staal: reeds bij een
temperatuur van 4°C zijn de hydroxylprotonen vrij duidelijk zichtbaar en het verloop van de
signaalintensiteit en lijnbreedte in functie van de temperatuur is consistent met de andere stalen.
Er zijn hier echter twee verschillen die naar voor komen. Bij een temperatuur van ‐12°C wordt het
duidelijk dat het signaal overeenkomstig met hydroxylprotonen 4, 3 en 6’OH wel degelijk een
bijdrage kent van meerdere protonen: een tweede signaal wordt duidelijk zichtbaar. Dit lijkt ook het
geval te zijn bij het signaal van proton 6OH, echter komt dit niet overeen met de gegevens uit de
structuuranalyse: in het COSY‐spectrum is er slechts één enkele kruispiek bij dit signaal wat
suggereert dat er wel degelijk maar een bijdrage is van één enkel proton. Ook na controle aan de
hand van integratie (zie Hoofdstuk 7 Appendix) blijft de conclusie dezelfde. Deze schijnbare
opsplitsing wordt geïnterpreteerd als een gevolg van de scalaire koppeling van dit labiele proton die
er lichtjes doorkomt. Normaal hebben deze protonen geen scalaire koppeling omdat ze juist continu
worden uitgewisseld. In dit geval wordt de uitwisseling met het aanwezige water voldoende
vertraagd zodat de koppeling een kans krijgt om tot uiting te komen.
Figuur 5.7 1D 1H spectra bij 4, 0 en ‐12°C (H2O/D2O 90/10 + 500mM NaCl, 10mM)
‐12°C
0°C
4°C
80
Een tweede verschil met staal S2 en tegelijkertijd een overeenkomst met staal S1 is het feit dat de
signalen bij bv. 4°C bij staal 1 en staal 3 er duidelijker scherper doorkomen dan het geval is bij staal 2
waar sucrose zich gewoon een in waterige oplossing zonder zout bevindt. Het al dan niet aanwezig
zijn van het zout heeft dus wel degelijk een invloed op de intensiteit van deze signalen. Om dit effect
te verduidelijken worden de spectra van de drie stalen bij ‐12°C nog eens over elkaar gelegd, zodat
het verschil in intensiteit meteen duidelijk wordt.
Het sucrosestaal in water (rood) heeft duidelijk de laagste intensiteit terwijl sucrose in de
staaloplossing (groen) een zo goed als gelijke intensiteit heeft als het sucrosestaal in water en
500mM NaCl. De ogenschijnlijke lagere intensiteit van staal 3 bij het derde en laatste signaal is
gewoon te wijten aan de extra signaalopsplitsing. Het is duidelijk dat de aanwezigheid van NaCl in de
meetoplossing dus wel degelijk een gunstige invloed heeft op de signaalintensiteit bij deze labiele
protonen. Er blijkt geen significant verschil te zijn in lijnbreedte tussen 100 en 500 mM NaCl, wat
aantoont dat het effect in dit bereik niet concentratieafhankelijk is en reeds bereikt is bij 100 mM
NaCl. Bovendien is het duidelijk dat metingen bij lage temperatuur een meerwaarde betekenen bij
het bestuderen van uitwisselbare protonen, aangezien ze betrokken kunnen worden bij de
Enigszins verrassend kan worden vastgesteld dat de temperatuurscoëfficiënten bijna allemaal kleiner
zijn bij de metingen op de 1mm probe dan het geval is bij metingen op de 5mm probe. Weliswaar
blijft de numerieke volgorde van de temperatuurscoëfficiënten gehandhaafd: de thymines
verschuiven duidelijker sneller in functie van de temperatuur dan het geval is bij de guanines.
Wederom kan het verschil in het aantal waterstofbruggen tussen beide typen basenparen hiervoor
een verklaring bieden. De thymines van de mismatch vertonen in de 1mm metingen een beduidend
sterker afwijkend gedrag: bij de 5mm metingen gedraagt TT(1) zich als een vrij normaal thymine ( TC
= ‐4ppb/K) en TT(2) (TC = ‐0,7ppb/K) wijkt duidelijk af. Echter bij de metingen op de 1mm probe
bevindt de temperatuurscoëfficiënt van TT(1) (TC = ‐1,9ppb/K), samen met TT(2) (TC = ‐1,4ppb/K),
zich eerder in de grootteorde van de guanines.
Verder blijkt het verschil in temperatuurscoëfficiënt tussen beide protonen van de mismatch niet
meer zo groot te zijn bij metingen op de 1mm probe (0,5) als bij metingen op de 5 mm probe (3,3).
De vergelijking van temperatuurscoefficient valt aldus in twee groepen uiteen. Enerzijds komen T6,
T7, T27, G26 en G19 goed overeen tussen beide sets metingen. Anderzijds is er ook een groep waar
de overeenkomst veel minder goed is, met als uitschieters G25, T18, G16, T24 en beide
mismatchprotonen TT(1) en TT(2). G9 en G12 ten slotte, vallen tussen beide groepen in. Aangezien
de temperatuurstudies op beide meetprobes 4 meetpunten gemeenschappelijk hebben, zo is er bij
de 1mm metingen vertrokken vanaf 25°C, is het weinig waarschijnlijk dat het temperatuursgedrag
verschillend zou zijn in de respectieve temperatuursintervallen die bestudeerd werden met elke
probe. Aangezien er geen systematische trend is in de afwijkingen lijkt het waarschijnlijker dat de
oorzaak van deze verschillen gezocht moet worden in de verschillen in duplexconcentratie tussen
beide stalen, een andere verhouding van het aanwezige zout ten opzichte van de duplexen in
oplossing, een combinatie van de twee of een andere nog onbekende oorzaak. Het is in ieder geval
moeilijk om hier een eenduidig antwoord op te formuleren en verder onderzoek kan hier misschien
een ander licht op werpen.
Om er zeker van te zijn dat het gedrag van deze duplex bij de 1mm metingen representatief is voor
andere duplexen, zowel wat betreft de evolutie van de lijnbreedte als het opvallende verschillend
temperatuursgedrag, werden deze metingen nog eens herhaald op een andere duplex: G2C27.
5.4.2.2 G2C27 14meer
Deze metingen werden, om praktische redenen, uitgevoerd op een andere staal dan ditgene dat
bestudeerd wordt in hoofdstuk 4. Alhoewel dit enige directe vergelijkingen in de weg staat,
verandert dit niets in de uiteindelijke conclusie van dit hoofdstuk en blijven deze resultaten even
goed van toepassing. Het globale uitzicht van de spectra ziet er nagenoeg gelijk uit en de toekenning
uitgevoerd op het 5mm staal kan dan ook zonder problemen worden overgedragen. De resultaten
van de temperatuurstudie op de 1mm probe worden teruggevonden in figuur 5.11.
Na een analyse van de lijnbreedtes op halve hoogte (FWHM) bij G2C27 blijkt dat deze bij de
‘normale’ iminoprotonen alleen toeneemt naarmate de temperatuur verder daalt. Daarentegen
scherpen de protonen van de TT mismatch eerst op, wanneer er wordt overgegaan van 10° naar 5°C
(30 Hz naar 27 Hz), om na 0°C opnieuw een grotere breedte op halve hoogte te vertonen dan het
geval is bij 10°C (32 Hz en groter).
84
Dit is opnieuw tegengesteld aan de observaties bij de sucrosestalen, waarbij het meten bij lagere
temperaturen wel degelijk zijn voordelen heeft betreffende de signaalintensiteit van de labiele
hydroxylprotonen.
Figuur 5.11: Overzicht 1D 1H spectra G2C27 (H20/D20 90/10, 5‐10mM)
De situaties zijn, achteraf bekeken, dan ook niet volledig vergelijkbaar. Er is het verschil in grootte
van de moleculen (en dus de verschillen in initiële lijnbreedte) alsook het feit dat bij de DNA
duplexen, de iminoprotonen reeds waarneembaar zijn reeds bij kamertemperatuur, terwijl de
hydroxylsignalen van suikers, pas duidelijk waarneembaar worden rond 0°C.
In het geval van suikers, blijkt verdere verlaging van de temperatuur een spectaculair effect te
hebben, omdat hier de bijdrage van de chemische uitwisseling tot de lijnbreedte groot is, t.o.v. de
bijdrage van de transversale relaxatie, die eerder klein is.
Voor beide DNA duplexen, blijkt de verlaging van de temperatuur geen verder effect te hebben op de
meeste iminoprotonen, d.w.z. dat er hier nauwelijks nog een verbetering is van de lijnbreedte,
omdat men reeds verder verwijderd is van de intermediaire uitwisselingsomstandigheden, die
aanleiding geven tot sterke lijnverbreding. Hier domineert de transversale relaxatie en wordt een
toenemende verbreding vastgesteld bij een verdere daling van de temperatuur onder 0°C.
Het uiterlijk verschil met de spectra bij de 5mm metingen lijkt hier zeer klein of onbestaande te zijn.
Doch het temperatuurafhankelijk gedrag kan hier ook worden geanalyseerd en het is interessant om
na te gaan of een soortgelijke afwijking wordt gevonden zoals het geval is bij de wild type wanneer
de metingen op de 5mm en 1mm probe met elkaar worden vergeleken.
T18TT(1) TT(2)
T7
T6 T24
G16
G26, G9
G12
G25, G19
5°C
10°C
0°C
‐5°C
85
Figuur 5.12 Chemische verschuiving in functie van temperatuur G2C27 (1mm)
Met behulp van de eerder doorgevoerde toekenning, is het mogelijk om de verandering van de
chemische verschuiving in functie van de temperatuur op een meer bruikbare manier te volgen, zoals
wordt aangetoond in bovenstaande figuur 5.12. De overeenkomstige temperatuurscoëfficiënten
kunnen worden teruggevonden in tabel 5.2.
Base TC (ppb/K) 1mm TC (ppb/K) 5mm
T7 ‐7,60 ± ‐7,76 ± 0,15
T24 ‐5,60 ± 0,10 ‐6,54 ± 0,10
T6 ‐5,47 ± 0,64 ‐6,36 ± 0,05
TT(1) ‐3,16 ± 0,18 ‐4,35 ± 0,24
T18 ‐2,88 ± 0,43 ‐5,74 ± 0,08
G26, G9 ‐2,80 ± 2,49 ± 0,13
G25, G19 ‐2,58 ± 0,26 ‐3,3/‐2,39 ± 0,15/0,09
G12 ‐1,71 ± 0,16 ‐2,73 ± 0,10
TT(2) ‐0,62 ± 0,22 ‐0,47 ± 0,06
G16 ‐0,33 ± 0,01 ‐4,01 ± 0,23
Tabel 5.2 Overzicht TC op 1mm en 5mm wild type (gearceerde gebieden hebben slechts twee bruikbare meetpunten en bijgevolg is het niet mogelijk hier een fout op te berekenen)
De iminoprotonen van de mismatch gedragen zich hier weer zoals het geval is bij de meeste 5mm
stalen: TT(2) heeft de op één na laagste temperatuurscoëfficiënt, daar waar deze bij de meeste
andere 5mm stalen de laagste waarde heeft. Het feit dat deze nu hier net niet de laagste waarde
heeft kan eerder worden toegeschreven aan het ‘abnormaal’ gedrag van G16. TT(1) heeft deze keer
opnieuw een duidelijkere grotere waarde (TC =‐3,16 ppb/K) en vertoont dus een aanzienlijk grotere
afhankelijkheid van de temperatuur dan zijn partner.
9,500
10,000
10,500
11,000
11,500
12,000
12,500
13,000
13,500
14,000
14,500
‐8 ‐3 2 7 12
Chemische verschuiving δ(ppm)
Temperatuur (°C)
T18T7T6T24G16G26, G9G12G25, G19TT(1)TT(2)
86
De observaties van toepassing bij de wild type (zie pg 10) zijn hier ook weer relevant: de trendlijnen
zijn lineair van aard, alle temperatuurscoëfficiënten zijn negatief en er kan weer een duidelijk verschil
in grootte van de temperatuurscoëfficiënt worden onderscheiden al naargelang het type basenpaar.
Wanneer de temperatuursfoëfficiënten van de 1mm metingen globaal worden vergeleken met de
metingen bij 5mm, valt het ook weer op dat de meeste overeenkomstige signalen een kleinere
waarde hebben. Sommige verminderingen zijn al wat drastischer dan andere, en voor een tweetal
iminoprotonen wordt bij 1mm juist een iets grotere temperatuurscoefficient vastgesteld dan bij
5mm. Ook bij de eerste metingen op de wild type is dit het geval, en er is dus wel een zekere trend te
herkennen.
5.5Conclusie
Het uitvoeren van de voorgestelde 1mm metingen bij lage temperaturen blijk zijn nut te hebben
vooral blij kleinere moleculen, zoals sucrose, gekenmerkt door de aanwezigheid van labiele protonen
die reeds sterk verbreed of onzichtbaar geworden zijn door chemische uitwisseling met het solvent.
Bij voldoende daling in temperatuur kunnen deze protonen, dankzij voldoende vertraging van de
chemische uitwisseling met water, zichtbaar gemaakt en gebruikt worden als extra informatie bij de
structuuranalyse.
Het uitvoeren van dit type metingen bij de beduidend grotere oligonucleotiden, heeft voornamelijk
extra lijnverbreding tot gevolg voor de uitwisselbare imino protonen en heeft dus geen meerwaarde
in de toekenning en studie van de geobserveerde iminoprotonen. Wat wel werd geobserveerd maar
hier niet verder is op ingegaan is een toename in T1 voor alle iminosignalen naarmate de
temperatuur daalt. Hoewel cryorestrictie op zich geen meerwaarde betekent in het zichtbaar maken
van nieuwe signalen, kan het uitvoeren van bv. 2D NOESY metingen bij lagere temperaturen voor een
toekenning hier duidelijk wel voordeel bij ondervinden.
5.6Referenties
1. Schroeder, K.T., J.J. Skalicky, and N.L. Greenbaum, NMR spectroscopy of RNA duplexes containing pseudouridine in supercooled water. Rna‐a Publication of the Rna Society, 2005. 11(7): p. 1012‐1016.
Het aantal mol waarmee elke synthese werd gestart kwam ongeveer neer op 300nmol. De
bekomen concentraties beschouwend, mag dus besloten worden dat de synthese wel degelijk vlot is
verlopen aangezien het gemiddelde van drie metingen rond deze 300nmol ligt en in alle gevallen,
met uitzondering van één, zelfs een hogere concentratie hebben. Er is met andere woorden meer
dan genoeg materiaal om in een later stadium NMR metingen te verrichten op deze verschillende
strengen.
6.5.7 Bepalingsmeltpunten(Tm)vanDNA duplexen
Zoals reeds eerder aangehaald, kan het bepalen van een smeltpunt bij DNA duplexen een idee geven
van de stabiliteit van de betreffende structuur. Hierbij maakt men gebruik van de redenering: hoe
hoger het smeltpunt, hoe stabieler de duplex. De interpretatie van de betekenis van deze
smelttemperatuur is niet eenduidig, er is namelijk nogal wat speculatie over de moleculaire
achtergrond. Het is echter aannemelijk dat bij deze temperatuur men er kan vanuit gaan dat van alle
aanwezige duplexen in oplossing er zich, ruw gezien, 50% zal bevinden in de ‘simplex’ toestand en
50% in de ‘duplex’ toestand. Naarmate de temperatuur verder wordt verhoogd, zullen alle duplexen
evolueren naar een simplex toestand. Met andere woorden, in de oplossing bevinden zich dan
uitsluitend nog enkelvoudige strengen.
Van de gesynthetiseerde enkelvoudige strengen in duplexvorm, samen met alle NMR bestudeerde
duplexen ter referentie, worden de smelttemperaturen opgenomen om na te gaan of deze
gemodificeerde strengen daadwerkelijk in staat zijn om een duplexstructuur aan te nemen en in
hoeverre de stabiliteit wordt beïnvloed door de aanwezigheid van de niet‐natuurlijke modificatie.
Gezien de gemodificeerde enkelvoudige benodigd zijn in de duplexstructuur, moeten deze eerst nog
een “annealing‐stap” ondergaan. Hiervoor wordt er een equimolaire hoeveelheid complementaire
strand aan de benodigde hoeveelheid single strand toegevoegd. Vervolgens wordt deze oplossing
opgewarmd tot 95°C om daarna heel langzaam te worden afgekoeld tot kamertemperatuur. Door
deze afkoeling heel geleidelijk aan door te voeren, wordt de meest stabiele, en dus gewenste,
duplexstructuur bekomen. De andere stalen hebben reeds een dergelijke stap ondergaan en moeten
bij niet worden meegenomen in deze procedure.
Het bepalen van deze smeltpunten vereist een aangepaste staalvoorbereiding: de oligonucleotiden
worden opgelost in een 1M NaCl oplossing, samen met 0,1M natriumfosfaatbuffer en milliQ H2O. De
natriumfosfaatbuffer bestaat uit 0,0999M NaCl, 0,0710M NaH2PO4.H20 en 0,0288M Na3PO4.12H2O
103
opgelost in milliQ H2O. De pH van deze bufferoplossing wordt gecontroleerd via een pH meter en is in
het ideale geval gelijk aan 7.
Voor één staal wordt op het totale volume 10% van de 1M NaCl oplossing en 10% van de 0,1M
natriumfosfaatbuffer toegevoegd, terwijl de resterende hoeveelheid van het totale gewenste volume
wordt aangelengd met milliQ H2O. De concentratie aan duplex in het totale meetvolume bedraagt
steeds 1µM.
De smelttemperaturen worden bepaald aan de hand van een Varian UV‐VIS spectrofotometer en 900
µl cuvetten. Bij elke meting wordt er gebruik gemaakt van een basislijncorrectie. Hiertoe worden
blanco’s bereid die identiek zijn aan de stalen, met uitzondering van de duplex zelf. Tijdens de meting
zelf worden de cuvetten opgewarmd van 18°C tot 95°C aan een snelheid van 0,3°C/min en wordt de
absorbantie op gezette tijdstippen gemeten. Hierna wordt de meting herhaald maar in de
omgekeerde volgorde. Per duplex worden zo een drietal metingen achtereenvolgens uitgevoerd. Aan
de hand van de beschikbare data kunnen de figuren worden gereconstrueerd, zoals een voorbeeld
weergegeven in figuur 6.16
In bovenstaande figuur komt één “ramp” overeen met een meting vertrekkende van 5°C t.e.m. 95°C,
waarna in de volgende “ramp” er wordt teruggekeerd van hoge naar lage temperatuur. Wat duidelijk
opvalt is het feit dat de eerste meting vrij duidelijk afwijkt van de daaropvolgende twee. De reden
hiervoor is het feit dat in de eerste meting de temperatuur nog niet volledig stabiel is. De
smelttemperatuur zelf kan makkelijker worden teruggevonden aan de hand van de eerste afgeleide
van de verschillende curven. Waar deze een maximum bereikt, bevindt zich bij de overeenkomstige
temperatuur de gezochte Tm. Zoals het geval is bij deze figuur overlappen beide 1ste afgeleiden bijna
volledig, wat er voor zorgt dat de Tm met vrij grote nauwkeurigheid worden bepaald. Deze procedure
‐5,00E‐04
0,00E+00
5,00E‐04
1,00E‐03
1,50E‐03
2,00E‐03
2,50E‐03
3,00E‐03
3,50E‐03
4,00E‐03
0,245
0,255
0,265
0,275
0,285
0,295
0,305
0,315
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Absorban
tie
Temperatuur (°C)
Wild Type
Wild type Ramp 1
Wild type Ramp 2
Wild type Ramp 3
1e afgeleide Ramp 2
1e afgeleide Ramp 3
Figuur 6.16 Smelttemperatuurcurve opgenomen voor de referentieduplex
104
werd herhaald voor alle vermelde duplexen en werden vervolgens nog eens op identiek dezelfde
manier herhaald om te zien of de gevonden waarden consistent zijn. De figuren voor de andere
duplexen kan worden teruggevonden in de appendix. Een kort overzicht kan worden teruggevonden
in tabel 6.2.
Staal Smelttemperatuur (°C) Tm
meting 1 meting 2
THis 6 50,3 50,7
THis 7 49,9 50,3
THis 8 54,7 54,5
Wild type 48,4 48,8
C9G20 44,6 45,9
G5C24 52,1 54,0
C2G27 53,2 52,9
G2C27 50,9 50,5
Tabel 6.2: Overzicht smelttemperaturen verschillende stalen
Kijkend naar de verschillende waarden van de sequenties, met de wild type als referentie voor de
verschillende basenpaar‐ en histidinemodificaties, kunnen er een aantal besluiten worden getrokken:
Wanneer in de sequentie een AT basenpaar wordt vervangen voor een GC, stijgt de stabiliteit
van de betreffende sequentie met een 3 à 4‐tal graden Celsius. Dit is ook logisch gezien het
GC basenpaar één extra H‐brug telt ten opzichte van een AT basenpaar, wat dus een extra
stabilisatie teweegbrengt.
Opvallend is het feit dat een “base‐flip” van een GC naar CG basenpaar juist naast de
mismatch (C9G20) een daling veroorzaakt in de algemene stabiliteit van de duplex. Een
mogelijke verklaring kan gezocht worden in een verstoring teweeggebracht in de duplex door
een aangepaste π‐π stacking ter hoogte van de mismatch. Enige omzichtigheid is wel
geboden, gezien het afwijkende karakter van de T‐T mismatch die geen standaard Watson‐
Crick basenpaar is.
Misschien wel het meest opvallende is dat de Tm’s van de gemodificeerde duplexen geen
lagere maar juist hogere smelttemperatuur hebben dan de referentie ! Bij de duplex waarbij
de modificatie is aangebracht ter hoogte van de T‐T mismatch (THis 8) is er zelfs een
significante verhoging te zien in temperatuur (48,6 t.o.v. 54,6 °C gemiddeld gezien). Met
andere woorden, de introductie van de modificatie heeft juist een extra stabilisatie tot
gevolg in tegenstelling tot wat zou verwacht kunnen worden. Deze toename in Tm is minder
aanwezig bij de andere twee modificaties maar getuigt ook van een stabiliserend effect.
Rekening houdend met deze laatste belangrijke observatie kan er worden besloten dat het zeker en
vast de moeite loont om deze gemodificeerde duplexen ook aan een NMR temperatuurstudie te
onderwerpen. Via NMR kan men ook het gedrag van de T‐T mismatch bestuderen, wat zeker van
belang is bij THis 8 en mogelijk een beter inzicht verwerven in de processen die aan de basis liggen van
de geobserveerde stabilisatie.
105
6.6Referenties
1. Joyce, G.F., Nucleic acid enzymes: Playing with a fuller deck. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1998. 95(11): p. 5845‐5847.
2. Fan, E., et al., Antibodies with thiol‐S‐transferase activity. Journal of the American Chemical Society, 1996. 118(23): p. 5474‐5475.
3. Vineetha K. Jayasena, L.G., In vitro selection of self‐cleaving RNAs wih a low pH optimum. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1997. 94: p. 10612‐10617.
4. Perrin, D.M., T. Garestier, and C. Helene, Expanding the catalytic repertoire of nucleic acid catalysts: Simultaneous incorporation of two modified deoxyribonucleoside triphosphates bearing ammonium and imidazolyl functionalities. Nucleosides Nucleotides & Nucleic Acids, 1999. 18(3): p. 377‐391.
5. Catry, M.A. and A. Madder, Synthesis of functionalised nucleosides for incorporation into nucleic acid‐based serine protease mimics. Molecules, 2007. 12(1): p. 114‐129.
6. In samenwerking met Prof. Bifulco, Universiteit van Salerno 7. Holmes, S.C. and M.J. Gait, Syntheses and oligonucleotide incorporation of nucleoside
analogues containing pendant imidazolyl or amino functionalities ‐ The search for sequence‐specific artificial ribonucleases. European Journal of Organic Chemistry, 2005(24): p. 5171‐5183.
8. Hirschbein, B.L. and K.L. Fearon, P‐31 NMR spectroscopy in oligonucleotide research and development ‐ Commentary. Antisense & Nucleic Acid Drug Development, 1997. 7(1): p. 55‐61.
9. Vargeese, C., et al., Efficient activation of nucleoside phosphoramidites with 4,5‐dicyanoimidazole during oligonucleotide synthesis. Nucleic Acids Research, 1998. 26(4): p. 1046‐1050.
106
Algemeneconclusie
Vanuit het oogpunt van het ontwikkelen van een nieuw type serine protease mimic op basis van een
DNA scaffold, werd er in het NMR gedeelte gezocht naar een optimale oligonucleotidesequentie.
Hoewel het centrale gedeelte (T6 tot T8) van de sequenties onveranderd moet blijven, is het mogelijk
om basenparen dichtbij of veraf van de T‐T mismatch aan te passen. In dit opzicht werd zowel de
referentie sequentie (wild type) als 4 mogelijke alternatieve sequenties onderzocht aan de hand van
NMR‐spectroscopie, dit met het oog op het bepalen van een voldoende stabiele sequentie die
tegelijkertijd ook gekenmerkt wordt door kwaliteitsvolle spectra die zowel een toekenning van de
basenparen als een verdere analyse bevorderen. In dit opzicht is het mogelijk om via een
temperatuurstudie het gedrag van elk basenpaar in functie van de temperatuur te gaan
karakteriseren aan de hand van temperatuurscoëfficiënten en deze ook te gebruiken als een
hulpmiddel om de verschillende sequenties ten opzichte van elkaar te vergelijken. Zo kan een
duidelijk beeld worden gevormd van de impact van een aangepast basenpaar op het gedrag van de
sequentie. Over het algemeen kan bij G5C24, G2C27 en C2G27 enkel op de plaats van het aangepaste
basenpaar en in de onmiddellijke omgeving ervan enige verandering in het gedrag worden
waargenomen. Dit is ook logisch gezien het telkens een ander type basenpaar betreft. In dit opzicht
kan een verandering in gedrag van de iminoprotonen van de T‐T mismatch, in het geval van C9G20,
als een opmerkelijke observatie worden beschouwd. Dit kan immers duiden op een conformationele
afhankelijkheid van de mismatch bepaald door de π‐π stacking interactie met zijn directe nabuur. Het
zou dan ook nuttig zijn om duidelijkheid te scheppen in dit gedrag door bv. gebruik te maken van een 15N gelabelde bouwsteen die een onderscheid tussen de iminoprotonen van de mismatch toelaat.
Daarnaast kan verdere analyse aan de hand van de lijnbreedtes op halve hoogte een duidelijk beeld
worden gevormd van de bijdrage van de chemische uitwisseling waaraan de bestudeerde
iminoprotonen onderhevig zijn. Het maximum van de T2* in functie van de temperatuur duidt het
punt aan waar het proces van chemische uitwisseling de bovenhand krijgt en bij welke temperatuur
de iminoprotonen zullen vervallen in een regime van snelle uitwisseling op de NMR‐tijdschaal. Ook
deze parameter is een aanwinst in een onderlinge vergelijking van de alternatieve sequenties, en
duidt onder meer aan bij welke sequentie chemische uitwisseling vroeger of later optreedt. Zo is het
duidelijk dat het omwisselen van één enkel basenpaar wel degelijk een impact kan hebben op de
stabiliteit en resistentie ten opzichte van de chemische uitwisseling van de volledige duplex, zoals
opnieuw wordt waargenomen bij sequentie C9G20. Zowel de smelttemperatuur als de profielen van
T2* in functie van de temperatuur duiden een uniforme daling aan in stabiliteit. In deze context is het
bepalen van de duplex smelttemperaturen aan de hand van UV‐VIS spectrometrie dan ook een
waardevolle aanvulling, die bovendien correleert met de observaties op het vlak van NMR. Na een
analyse van alle beschikbare gegevens bleek de wild type de optimale sequentie te zijn in termen van
stabiliteit en toekenbaarheid in de spectra.
Als afsluiter van het NMR deel werd cryorestrictie aangewend in een poging om de chemische
uitwisseling voldoende te vertragen om zo de signalen te laten opscherpen of nieuwe signalen
zichtbaar te maken. In eerste instantie werd dit toegepast op een kleine molecule, sucrose, waarbij
de uitwisseling van de hydroxylprotonen met het solvent voldoende werd vertraagd waardoor deze
107
uitwisselbare protonen zelf ook konden worden gebruikt in de structuuranalyse. Bij de toepassing
van cryorestrictie op DNA duplexen bleek de efficiëntie van de transversale relaxatie echter te groot
bij deze verlaagde temperaturen om aanleiding te geven tot bruikbare resultaten. Een toename in T1‐
tijden echter, maakt meten bij verlaagde temperaturen wel aantrekkelijk wanneer een toekenning
aan de hand van een 2D NOESY problematisch zou blijken.
In het tweede luik van deze thesis werd een poging ondernomen om een serie van gemodificeerde
duplexen te synthetiseren via de introductie van een gemodificeerde THis bouwsteen in de sequentie.
Om de impact van de modificatie en zijn relatieve positie in de sequentie na te gaan, werden de THis
bouwsteen geïntroduceerd op drie verschillende plaatsen: T6, T7 en T8. Hoewel een analyse van
deze sequenties via NMR niet meer tot de mogelijkheden behoorde, kon reeds een vroege indicatie
van de impact op de algemene stabiliteit van de sequenties worden bekomen door het opmeten van
de smelttemperaturen. In vergelijking met de wild type bleek de modificatie in twee gevallen geen
destabilisatie te veroorzaken en in één geval was er zelfs sprake van een extra stabilisatie. De meest
stabiele duplex bleek de THis 8 sequentie te zijn, met de modificatie aangebracht op één van beide
thymines uit de T‐T mismatch.
Latere studies aan de hand van NMR zullen nuttig zijn om enerzijds te zien of vergelijkbare resultaten
kunnen worden teruggevonden, anderzijds de impact van de modificaties op de iminoprotonen na te
gaan en ten slotte de waargenomen stabilisatie te helpen ophelderen.
108
Hoofdstuk7:Appendix
Dit deel bevat de volgende onderdelen:
7.1 NMR‐gedeelte:
Structuuranalyse sucrose ( Hoofdstuk 5)
7.2 Synthese‐gedeelte:
7.2.1 31P spectrum fosforamidiet THis bouwsteen
7.2.2 HPLC spectra van alle gesynthetiseerde strengen, zowel voor en na
ontscherming als na extra ontscherming (indien nodig)
7.2.3 MS spectra van gesynthetiseerde strengen
7.2.4 Smeltcurven van sequenties bestudeerd via NMR als van THis gemodificeerde
spectra
7.1AanvullingbijdeNMRhoofdstukken
In deze paragraaf wordt de structuuranalyse van sucrose weergegeven aan de hand van een DQFCOSY
(cosydfesgpph pulsprogramma uit de Bruker bibliotheek) uitgevoerd op een surcrosestaal opgelost in
42
1’
5,6, 6’
5’4’3’
16OH1’OH2OH
4, 3, 6’OH
3’OH4’OH
109
staaloplossing opgemeten bij ‐10°C op de 1mm probe. De overige parameters zijn dezelfde als de
klassieke 1D 1H metingen.
7.2Synthese
7.2.1 31P Spectrumfosforamidiet bouwsteen
In dit 121 MHz spectrum zijn twee duidelijke signalen te onderscheiden: 14,12 ppm komt overeen met
het gehydrolyseerd startproduct (2‐cyanoethyl‐N,N‐diisopropylchlorofosforamidiet) terwijl de twee
signalen bij 149,03 ppm en 148,64 ppm overeenkomen met de stereo‐isomeren van de fosforamidiet
bouwsteen.
110
7.2.2 HPLCspectragesynthetiseerdeDNAstrengen
Voor de toekenning van de verschillende signalen in het spectrum wordt er verwezen naar hoofdstuk 6.
Van elke streng werden meerder fracties gecontroleerd zowel voor als na zuivering (Sep‐pak C18
kolom). Indien nodig werd een extra ontscherming uitgevoerd en vervolgens gecontroleerd.
THis 8 fractie 1 voor zuivering
min5 10 15 20 25 30
Norm.
0
200
400
600
800
1000
1200
DAD1 A, Sig=260,16 Ref=off (D:\DATA\11-05-08\VG000004.D)
3.7
85
3.9
67
4.0
83 4
.499
6.5
86
8.0
83
8.4
32
11.2
98
12.4
04
13.1
08
13.
293
13.5
47 1
3.7
58
13.9
45
14.
253
14.4
26
14.
688
14.8
54
15.0
54
15.
224
15.4
82
15.8
07
15.9
17
16.
434
16.9
55 1
7.3
00
18.0
97
20.4
93
23.
404
23.8
98
24.1
04
24.
273 2
4.4
44 2
4.568
24.
778
24.9
82
25.1
44
25.3
02
25.
462
25.6
98
26.0
97
26.
387
26.
540
26.
862
26.
999
27.8
32
28.3
07
111
THis 8 fractie 2 voor zuivering
THis 7 fractie 1 voor zuivering
min5 10 15 20 25 30
Norm.
0
200
400
600
800
1000
1200
DAD1 A, Sig=260,16 Ref=off (D:\DATA\11-05-08\VG000005.D)
3.3
06
3.4
48
3.7
85
3.9
63
4.0
84 4
.502
6.3
76
8.0
69 8
.420
11.
280
11.6
70
12.3
75
12.5
35
12.
816
13.0
72
13.2
61
13.
362
13.
511
13.
724
13.
909
14.2
15
14.3
92
14.
658
14.
814
15.0
18 1
5.1
83 1
5.4
48 1
5.768
15.
875
16.
411
16.
910
17.
258
18.5
07
23.1
92
23.9
00
24.1
10 2
4.4
03 2
4.566
24.7
64
24.9
78
25.1
29
25.
293
25.4
40
25.6
93
26.1
01
26.
385
26.
537
26.
860
26.
988
27.3
22
27.8
30
28.
305
min5 10 15 20 25 30
Norm.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
DAD1 A, Sig=260,16 Ref=off (D:\DATA\11-05-08\VG000006.D)
3.7
85
3.9
69 4
.086
4.5
08
8.0
78
12.
365
13.0
65
13.2
41
13.5
12
13.
811
13.
984 14.1
47 1
4.380
14.5
04 1
4.66
3 1
4.9
92
15.
174
15.3
36
15.4
13
15.6
36 1
5.806
15.
971
16.4
09
16.
960
17.
301
23.
009
23.8
94
24.0
99
24.4
00
24.
566
24.
754
24.
977
25.
288
25.4
43
25.
694
26.
101
26.
385
26.
535
26.8
60 2
6.9
80
27.
319
27.
829
28.3
04
112
THis 7 fractie 2 voor zuivering
THis 6 fractie 1 voor zuivering
min5 10 15 20 25 30
Norm.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
DAD1 A, Sig=260,16 Ref=off (D:\DATA\11-05-08\VG000007.D)
3.2
99
3.4
32
3.7
85 3
.975
4.0
99
8.0
69
11.
283
12.3
70
13.0
65
13.2
41
13.
808
13.
984
14.
140
14.
368
14.5
04
14.
667
14.
814
14.9
15
14.
997
15.
180
15.3
43
15.4
26
15.6
48
15.8
27
15.9
89
16.4
14
16.
968
17.
244
17.4
58
19.
230
23.8
92
24.
108
24.
403
24.
566
24.
758
24.
976
25.
282
25.
447
25.
691
26.
099
26.3
82
26.5
33
26.8
58
26.9
77
27.3
16
27.
827
28.
301
min5 10 15 20 25 30
Norm.
0
200
400
600
800
1000
DAD1 A, Sig=260,16 Ref=off (D:\DATA\11-05-08\VG000008.D)
3.7
87 3
.981
4.1
04
8.0
70 8
.430
13.0
72
13.
254
13.7
46
13.9
86
14.1
58 1
4.36
6 1
4.542
14.7
57
14.8
41
15.0
24
15.
569
15.9
73
16.1
42
16.
417
17.0
01
17.
249
17.6
30
19.
389
23.8
92
24.
105
24.4
02 2
4.5
63
24.7
57 2
5.1
15 2
5.2
78
25.
442
25.6
91
26.1
00
26.
382
26.
533
26.
858
26.9
77 2
7.31
5
27.8
28
28.
302
113
THis 6 fractie 2 voor zuivering
THis 8 na zuivering
min5 10 15 20 25 30
Norm.
0
100
200
300
400
500
600
700
DAD1 A, Sig=260,16 Ref=off (D:\DATA\11-05-08\VG000009.D)
3.7
86
3.9
79
4.0
87
8.0
76 8
.428
13.
067
13.
245
13.
739
13.
978 1
4.1
46 1
4.3
52
14.5
34
14.7
65
15.0
01
15.5
48
16.4
09
17.
238
23.
127
23.8
91
24.0
51
24.4
77 2
4.5
64
25.
111
25.
275
25.6
91 2
6.1
01
26.3
83
26.
534
26.
860
26.9
77
27.3
19
27.8
29
28.3
03
min5 10 15 20 25 30
Norm.
0
100
200
300
400
500
DAD1 A, Sig=260,16 Ref=off (D:\DATA\11-05-08\VG000010.D)
3.7
83
3.9
70
4.1
23
13.5
17
13.7
18 1
3.9
10 1
4.2
12 1
4.3
74
14.8
15
14.9
50
15.7
31
15.
844
16.
186
16.4
49 1
6.890
17.
090
23.8
89
24.
486
25.
110
25.6
89 2
6.0
99
26.
381
26.
532
26.8
57 2
6.9
73
27.3
16
27.8
26
28.
301
114
THis 7 na zuivering
THis 6 na zuivering
min5 10 15 20 25 30
Norm.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
DAD1 A, Sig=260,16 Ref=off (D:\DATA\11-05-08\VG000014.D)
3.7
89 3
.969
4.1
27
5.0
00
13.
912
14.
011
14.
203
14.3
75
14.5
28
14.
690
14.8
48
15.
864
16.0
68
16.8
62
17.0
17
23.9
52
24.
477
25.1
02
25.
690
26.0
98
26.
378
26.5
29 2
6.973
28.3
01
min5 10 15 20 25 30
Norm.
0
100
200
300
400
DAD1 A, Sig=260,16 Ref=off (D:\DATA\11-05-08\VG000020.D)
3.7
84 3
.972
4.1
23
5.0
04
14.8
08
14.9
54
15.4
81
16.
117
17.
089
24.4
87
25.0
97
25.
697
26.1
01
26.2
76 2
6.381
26.5
32 2
6.977
28.3
05
29.
357
115
THis 8 na extra ontscherming
THis 6 na extra ontscherming
min5 10 15 20 25 30
Norm.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
DAD1 A, Sig=260,16 Ref=off (D:\DATA\11-05-08\VG000023.D)
3.7
85 3
.966
4.0
85
5.0
02
13.
201
13.4
45
13.
556
13.
654
13.
845
13.
957
14.1
52 1
4.3
20
14.
787
14.9
33
23.4
09
24.
474
25.0
77
25.
689
26.0
94 2
6.271
26.
375
26.
528
26.
971
28.
302
29.
355
min5 10 15 20 25 30
Norm.
0
200
400
600
800
1000
DAD1 A, Sig=260,16 Ref=off (D:\DATA\11-05-08\VG000024.D)
3.3
30
3.7
86
3.9
62
4.0
82
4.6
70
4.9
95
7.2
26
12.
320
13.
224
13.4
73
13.6
24
13.
784
13.9
34 1
4.0
86
14.
305
14.4
76
14.
792
14.9
41
15.4
81
15.6
71
24.
085
24.2
80 2
4.4
74
25.0
73
25.6
90
26.
093
26.2
70 2
6.374
26.
527
26.9
70
28.
301
29.3
56
116
7.2.3 MSspectragesynthetiseerde strengen
Alle spectra werden opgenomen in negatieve modus, hierdoor ontbreekt telkens 1 proton per extra
lading in het moleculaire ion. De verschillende ionen werden geïdentificeerd a.d.h.v. deconvolutie.
THis 8 fractie 1 voor zuivering (Mw: 4385,92 Da)
THis 8 fractie 2 voor zuivering (Mw: 4385,96 Da)
m/z200 400 600 800 1000 1200 1400
0
20
40
60
80
100
*MSD1 SPC, time=0.484 of G:\072-0201.D API-ES, Neg, Scan, Frag: 70
Max: 25864 625
.5
547
.2
486
.2
730
.0
876
.2
614
.9
460
.9
109
5.5
526
.9
738
.1
437
.6
922
.9
530
.0
606
.3
146
1.1
471
.0
378
.3
707
.6
849
.2
113
.0
409
.6
567
.0
m/z200 400 600 800 1000 1200 1400
0
20
40
60
80
100
*MSD1 SPC, time=0.265 of G:\073-0301.D API-ES, Neg, Scan, Frag: 70
Max: 16768 547
.3
625
.5
486
.2
876
.2
730
.1
109
5.5
526
.8
614
.9
437
.4
737
.9
584
.2
511
.1
112
.9
923
.1
675
.0 7
07.8
548
.8
320
.5
146
1.2
619
.3
110
1.3
378
.2
471
.3
[M]4‐
[M]5‐ [M]6‐
[M]7‐
[M]8‐
[M]9‐
[M]10‐
[M]4‐
[M]5‐ [M]6‐
[M]7‐
[M]8‐
[M]9‐
117
THis 7 fractie 1 voor zuivering (Mw: 4385,78 Da)
THis 7 fractie 2 voor zuivering (Mw: 4385,90 Da)
m/z200 400 600 800 1000 1200 1400
0
20
40
60
80
100
*MSD1 SPC, time=0.320 of G:\074-0401.D API-ES, Neg, Scan, Frag: 70
Max: 24368 625
.6
547
.1
729
.9
876
.2
486
.2
439
.2
109
5.5
537
.1
613
.9
716
.4
477
.2
112
.9
516
.0
860
.0
437
.4
635
.5
549
.0
707
.1
606
.0
741
.7
146
1.2
378
.2
m/z200 400 600 800 1000 1200 1400
0
20
40
60
80
100
*MSD1 SPC, time=0.319 of G:\075-0501.D API-ES, Neg, Scan, Frag: 70
Max: 30520 547
.2
625
.6
730
.0
486
.3
876
.1
109
5.5
530
.4
439
.1
613
.6
477
.2
716
.3
146
1.2
544
.8
[M]4‐
[M]5‐
[M]6‐
[M]7‐ [M]8‐
[M]9‐
[M]4‐
[M]5‐
[M]6‐
[M]7‐
[M]8‐
[M]9‐
118
m/z200 400 600 800 1000 1200 1400
0
20
40
60
80
100
*MSD1 SPC, time=0.356 of G:\077-0701.D API-ES, Neg, Scan, Frag: 70
Max: 20896 625
.5
547
.2
486
.3
730
.0
876
.2
109
5.7
113
.0
530
.2
589
.9
437
.5
146
1.0
490
.2
880
.7
549
.0
628
.8
700
.8
320
.7
248
.0
733
.2
110
1.0
134
.0
THis 6 fractie 1 voor zuivering (Mw: 4385,76 Da)
THis 6 fractie 2 voor zuivering (Mw: 4385,96 Da)
m/z200 400 600 800 1000 1200 1400
0
20
40
60
80
100
*MSD1 SPC, time=0.393 of G:\076-0601.D API-ES, Neg, Scan, Frag: 70
In deze paragraaf worden de gereconstrueerde figuren getoond, gebruikt voor het aflezen van de
verschillende Tm‐waarden gebruikt tijdens de NMR temperatuurstudie en synthese van de alternatieve
sequenties. Voor elke sequentie wordt slechts een figuur getoond, gezien de herhaalde metingen
aanleiding geven tot dezelfde resultaten. De waarden van beide sets metingen kunnen worden
teruggevonden in hoofdstuk 6 (Synthese). Voor elke duplex werden telkens drie metingen uitgevoerd,
ook eerder vermeld als “ramps”. De eerste ramp toont doorgaans een licht afwijking van de andere
twee en deze wordt niet meegenomen in het berekenen van de smelttemperaturen. Naast de eigenlijke
smeltcurven wordt ook telkens de eerste afgeleide getoond, deze stelt ons makkelijker in staat om de
Tm, die overeenkomt met het maximum, af te lezen.
THis 6
‐0,0005
0
0,0005
0,001
0,0015
0,002
0,0025
0,003
0,22
0,23
0,24
0,25
0,26
0,27
0,28
0,29
0,3
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Absorban
tie
Temperatuur (°C)
120
THis 7
THis 8
‐0,0005
0
0,0005
0,001
0,0015
0,002
0,0025
0,003
0,2
0,22
0,24
0,26
0,28
0,3
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Absorban
tie
Temperatuur (°C)
‐0,0005
0
0,0005
0,001
0,0015
0,002
0,0025
0,003
0,23
0,24
0,25
0,26
0,27
0,28
0,29
0,3
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Absorban
tie
Temperatuur (°C)
121
Wild type
C9G20
‐5,00E‐04
0,00E+00
5,00E‐04
1,00E‐03
1,50E‐03
2,00E‐03
2,50E‐03
3,00E‐03
3,50E‐03
4,00E‐03
0,245
0,255
0,265
0,275
0,285
0,295
0,305
0,315
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Absorban
tie
Temperatuur (°C)
0
0,0005
0,001
0,0015
0,002
0,0025
0,003
0,0035
0,004
0,225
0,235
0,245
0,255
0,265
0,275
0,285
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Absorban
tie
Temperatuur (°C)
122
G5C24
C2G27
‐5,00E‐04
0,00E+00
5,00E‐04
1,00E‐03
1,50E‐03
2,00E‐03
2,50E‐03
3,00E‐03
3,50E‐03
0,225
0,235
0,245
0,255
0,265
0,275
0,285
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Absorban
tie
Temperatuur (°C)
‐0,001
0
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
0,425
0,445
0,465
0,485
0,505
0,525
0,545
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Absorban
tie
Temperatuur (°C)
123
G2C27
‐5,00E‐04
0,00E+00
5,00E‐04
1,00E‐03
1,50E‐03
2,00E‐03
2,50E‐03
0,14
0,145
0,15
0,155
0,16
0,165
0,17
0,175
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Absorban
tie
Temperatuur (°C)
124
Engelstaligesamenvatting
1
Structure and stability of native and modified deoxyoligonucleotides
D. Buysta, B. Van Gassec, V. Gheerardijnb, Prof. Dr. A. Madderb and Prof. Dr. J.C. Martinsc
a Department of Organic Chemistry, Ghent University, 9000 Ghent , Belgium
bLaboratory for Organic and Biomimetic Chemistry, Department of Organic Chemistry, Ghent University, , Krijgslaan 281 (S4) 9000 Ghent, Belgium
cNMR Structure Analysis Unit, Department of Organic Chemistry, Ghent University, , Krijgslaan 281 (S4) 9000 Ghent, Belgium
In the development of a new class of serine protease mimics, DNA has been considered as a suitable scaffold. Through the introduction of modified building blocks, the necessary chemical functionalities will be introduced. This work aims to validate the stability and integrity of the scaffold, starting from the main question: which sequence should one choose for the design of a suitable mimetic of the serine protease catalytic site? To be able to achieve this, five alternative DNA sequences, including the reference design, will be investigated and characterized by NMR.
Keywords: Serine protease mimic, NMR temperature study, DNA sequence stability and behavior in solution, DNA melting temperatures
Introduction
The development of artificial catalysts which mimic enzymatic activity has always been a very challenging area of research. For example, proteases have been intensively studied because of their unequalled capacity for the hydrolysis of amide and peptide bonds under mild conditions. One such enzyme is α-chymotrypsine [1]. The active site of this type of enzyme is realized through the cooperation between three different amino acids: Ser195, His57 and Asp102. These three residues show a unique collaboration through a mutual hydrogen bonding network. This network is also referred to as the so called “catalytic triad” and is depicted in figure 1 [2].
Figure 1. Catalytic triad, from α-chymotrypsine with a charge stabilization mechanism
DNA used as a new type of scaffold This work is part of a broader project, which aims to develop a new type of enzyme mimic based on a DNA scaffold equipped with the functionalities of peptide chains by insertion of suitable modified building blocks. This approach combines both the predefined structural organization of the DNA duplex and the presence of the functionalities which form the catalytic site. In this case, the active site is constructed
2
through two single strands of DNA, each 14 nucleotides long and carrying the necessary modified building blocks in the middle of each sequence. The exact orientation and mutual incorporation of each functionality were investigated through preliminary modeling studies, made available by Prof. Dr. Bifulco at the University of Salerno. The envisaged mimic system can be seen in figure 3. The need for a T-T mismatch is a consequence of the fact that in the first stages of this research only thymines can be used in the synthesis for reasons of synthetic accessibility.
Screening of alternative sequences by NMR temperature studies The central “core” of the DNA sequence used in the mimic system, containing the T-T mismatch, is fixed, this in order not to compromise the necessary proximity between the active site functionalities. The other base pairs however can be replaced. The main objective of this research is to find a sequence which is optimal in terms of NMR. Through this technique, the DNA imino protons of the different sequences will be observed over a wide range of temperatures. The two main principles which are of importance in this study are the stability of the sequence and the signal resolution with a minimal amount of signal overlap in order to facilitate the interpretation of the NMR data. Complementary to these NMR studies, melting points of every sequence will be recorded by UV-VIS spectroscopy and will be correlated to the observations in the temperature study.
Experimental Part
All studied DNA duplexes were purchased as single strands (IDT DNA Technologies, Leuven, Belgium). All measurements were performed on a Bruker Avance type II 700MHz spectrometer, equipped with a triple resonance inverse (TXI) probe together with Z-gradients and a BTV3000 Eurotherm unit for temperature control. The pulse sequences and parameters used can be found in chapter 2. The melting temperatures of the sequences were measured on a UV-VIS Varian spectrophotometer with 900µl measuring cells. The different utilized sample treatment protocols and used reagents and synthesis protocols can be found in chapter 2.
Results and Discussion
As a starting point, the different sequences are subjected to a temperature study. Here a 1D 1H spectrum is measured starting at 5°C and gradually higher temperatures until the imino-protons are no longer visible. The next step consist of a 2D NOESY measurement at the temperature which is the most beneficial in terms of signal intensity and resolution. This spectrum is then used to identify the different imino-protons and correlate them to the base pairs in the sequence. Using this data, temperature coefficients are calculated for each imino signal. Next, the maximum temperature at which each imino signal remains visible is recorded and a profile of the evolution of the T2*-time is constructed by using the full width at half maximum (FWHM) of each signal. The theory accompanying these
Figure 2. Default DNA sequence with the active site depicted in bold
5’-GACCATSerTHisTSerGCAGCG-3’3’-CTGGTA A TAspCGTCGC-5’
3
measurements can be found in chapter 5. The typical analysis will be illustrated for the wild type sequences with results for all duplexes being summarized at the end of this paragraph. The complete more detailed description of the analysis can also be found in chapter 5. Temperature study wild type In figure 4 an overview can be found of the actual temperature study. The assignment is also depicted in the spectrum recorded at 25°C that has the best signal resolution. At this temperature, 13 imino protons are visible, corresponding to 12 basepairs since the mismatch gives rise to two distinct separate signals around 10 and 11 ppm. Comparing this to the other sequences measured, there is no sequence which gives rise to better spectra in terms of resolution. In some cases, the number of imino protons is equal but when this is the case, the signals tend to overlap more in the overall temperature range studied. The signals of the wild type all uniformly disappear at 60°C; at this temperature the base pairs spend sufficiently enough time in an open state for the imino protons to be in a regime of fast exchange with the solvent. Since the melting temperature of this sequence is about 48,6°C, one could expect that the disappearance of the different imino signals is most likely due to the fact that the duplex itself is no longer sustained and the main part of the sample will be present in the form of single strands. This melting temperature corresponds quite well with 45 to 55°C interval where the imino region collapses, the maximum temperature at which the different signals are still marginally visible being 55°C. Overall, there is a good agreement between the melting temperatures measured for each duplex by UV and the temperature at which the imino protons are no longer visible. When an extra GC base pair is introduced in the sequence, (G2C27, C2G27 & G5C24 duplexes) a significant rise of ~5 °C is observed in the melting temperature but the effect is not sufficient for this alternative sequence to be preferred over the wild type. Temperature coefficients can be calculated base on the chemical shift of the imino protons in function of temperature. These values allow us to be able to determine in a
5°C
15°C
25°C
35°C
45°C
55°C
60°C
T6G16
G12
T18
T27T7 T24
G9G19
G25 TT(1) TT(2)
G26
Figure 4. Overview temperature study wild type
Figure 3. Sequence of wild type duplex
5’-GACCATTTGCAGCG-3’3’-CTGGTAATCGTCGC-5’
4
qualitative way, to which degree the exchange with the solvent increases as the temperature rises.
TABLE I. Temperature coefficients of the imino protons in the wild type duplex. Base TC (ppb/K) Deviation T 6 T 24 T18 T 7 & T 27 TT(1) mismatch G 9 G16 G 25 G 19 G 26
As can be seen from Table 1, all coefficients have a negative sign, which implies that the degree of exchange, i.e. the fraction of base pairs that are in the open state increases as the temperature rises. Thus there is an evolution of a regime of slow exchange to a regime of fast exchange on the NMR timescale for the imino signals. One last aspect which is not accounted for is the difference in population between the solvent and exchangeable imino-protons: due to the large excess of waterprotons, the linewidth of the imino-protons is more sensitive to the exchange process such that their signals disappear sooner than can be expected in the case of equal populations. These temperature coefficients are also a valuable tool for comparing the behavior of the different sequences in function of the temperature. A nice example of the value of this analysis is the observation of the inverted behavior of the imino-protons, corresponding with the T-T mismatch, when the adjacent GC base pair is flipped. This observation suggests that general behavior of the T-T mismatch is, to a big extent, determined by the π-π interaction with its neighbor. The last analysis that can be made, is the evolution of T2* as a function of temperature. In normal behavior there would be an increase in the T2* in general as the temperature rises, considering that the mechanism of dipolar relaxation is the dominant one. As can be seen in figure 5, which depicts a selection of followed signals, this is the case for a long temperature range until a certain temperature at which a maximum is achieved. After this the T2* values suddenly decrease until the signals broaden beyond detection. This sudden change is the consequence of an
0,002
0,007
0,012
0,017
0,022
0,027
0 20 40 60
T 2*‐time (s)
Temperature (°C)
T18
T6
T24
TT(1)
TT(2)
Figure 5. Overview T2* evolution in function of temperature
5
increasing line broadening effect contributed by the chemical exchange of the imino protons with the solvent. This gives us an additional tool to investigate the impact on the general base pair behavior when a changes are introduced in the sequence. This analysis is carried out on all the alternative sequences and as such they are also compared to each other in order to see if an optimal sequence can be defined. It shows that there is no evidence that the default wild type sequence should be discarded in favor of an alternative sequence. The temperature at which the maximum in T2* is reached, is one of the highest values. This indicates that the contribution of exchange only becomes predominant in the temperature range (>45°C) where the duplex is no longer completely sustained and there is already a considerable fraction of single strands present.
Summary
During this research project, an investigation was performed to define the best DNA sequence in terms of stability and resolution,in terms of NMR-spectroscopy, that could be used to develop a serine protease mimic. As the different sequences were analyzed and compared to one another, the most ideal duplex remained the default sequence used in the proposed mimic system. It is also demonstrated that NMR is a convenient technique to study the behavior of each sequence in solution at the level of the individual base pair as well as to get an idea of the stability of the duplex itself since there are good resemblances between the melting temperature and maximum observable temperatures in NMR. The results of additional investigations, which included the use of cryorestriction to explore the subzero temperature regime in NMR as well as the synthesis and incorporation of a histidine mimicking nucleotide were also performed and a reported in chapters 5 and 6 respectively.
Acknowledgments First of all, I would like to thank Bjorn Van Gasse and Vicky Gheerardijn, my courageous and fearless mentors during this research. I would also like to thank Prof. Madder en Prof. Martins for giving me the possibility to perform this research and their availability when I had any problems or questions. Last but not least, I would like to thank Katrien and Tim for helping me with the practical side of everyday work and teaching me some new and handy practical skills. The 700MHz is part of the interuniversitary NMR faculty jointly operated by UGent, UA en VUB.
References
1. Catry, M.A. and A. Madder, Synthesis of functionalised nucleosides for incorporation into nucleic acid-based serine protease mimics. Molecules, 2007. 12(1): p. 114-129.
2. Hedstrom, L., Serine protease mechanism and specificity. Chemical Reviews, 2002. 102(12): p. 4501-4523.