Publikation:

Snapshots of DNA polymerase processing aberrant substrates : Structural insights into abasic site bypass and polymerization of 5-alkynylated nucleotide analogs

Lade...
Vorschaubild

Dateien

Dissertation_Obeid.pdf
Dissertation_Obeid.pdfGröße: 43.46 MBDownloads: 382

Datum

2012

Autor:innen

Herausgeber:innen

Kontakt

ISSN der Zeitschrift

Electronic ISSN

ISBN

Bibliografische Daten

Verlag

Schriftenreihe

Auflagebezeichnung

DOI (zitierfähiger Link)
ArXiv-ID

Internationale Patentnummer

Angaben zur Forschungsförderung

Projekt

Open Access-Veröffentlichung
Open Access Green
Core Facility der Universität Konstanz

Gesperrt bis

Titel in einer weiteren Sprache

Publikationstyp
Dissertation
Publikationsstatus
Published

Erschienen in

Zusammenfassung

DNA polymerases are involved in all DNA synthesis events occurring in nature. Therefore, these enzymes are essential for the maintenance of the genetic information and its stability. Structural and functional studies have added significantly to our understanding of the basic mechanisms of DNA synthesis by DNA polymerases. Thereby, X-ray crystallography has become a powerful tool to gain further insights into structure-function relationships of DNA polymerases. Based on crystal structure analysis of DNA polymerases in combination with functional studies three different aspects were addressed.



The aim of the first topic was to investigate the mechanisms by which DNA polymerases from sequence family A perform synthesis through DNA lesions. Abasic sites represent the most frequent DNA lesions in the genome. These lesions are highly mutagenic and lead to mutations that are commonly found in human cancers. Although abasic sites are devoid of genetic information, adenosine is most efficiently inserted when this lesion is bypassed by DNA polymerases that are involved in DNA replication and repair – a process termed A-rule. Numerous functional and structural studies investigated this phenomenon and concluded that superior stacking and desolvation properties explain the preference of adenosine over the other nucleotides. In this work the large fragment of the DNA polymerase I of Thermus aquaticus DNA polymerase (KlenTaq) was chosen as a model enzyme for the sequence family A DNA polymerases. By means of this enzyme the ‘A-rule’ was investigated based on structural studies. Thereby a first X-ray structure of DNA polymerases that follow the A-rule caught while incorporating a nucleotide opposite an abasic site was determined. These studies reveal that a protein side chain, which is highly conserved throughout evolution from bacteria to humans, directs for nucleotide incorporation rather than DNA. By filling the vacant space of the absent template nucleobase this tyrosine residue mimics a pyrimidine nucleobase in the absence of nucleobase information and directs for purine selection due to geometric fit to the active site of the enzyme. Further, Arg587 was identified as a stabilizing factor for the incoming adenosine. The preference of adenosine over guanosine and the pyrimidine nucleotides were also investigated by crystal structures of KlenTaq in complex with the respective nucleoside triphosphates opposite an abasic site. Thereby the crystal trials in the presence of guanosine and thymidine resulted in ternary complexes, whereas even in the presence of an excess of cytidine a binary complex was observed. In general, the obtained ternary complexes revealed independent of the incoming natural nucleotide opposite the abasic site two noticeable alterations compared to the canonical cases. Firstly, it was always observed that Tyr671 is placed opposite the incoming nucleotide and secondly, the enzyme adopts a semi-closed conformation. The respective tyrosine nucleotide base pairs result in different active site arrangements and interaction patterns causing a misalignment of the α–phosphate. In detail, the slightly bigger guanine base is differently accommodated in the active site compared to the adenine nucleobase resulting in an enlarged distance of the α–phosphate to the 3’-primer terminus. These models are in line with the kinetic studies, which were performed by Nina Blatter, and might explain the decrease in incorporation efficiency of guanosine opposite an abasic site compared to adenosine. In case of the unfavored pyrimidines, I obtained a structure showing an incoming ddTTP opposite an abasic site. The DNA polymerase interacts with the incoming nucleotide again by hydrogen bonding of Tyr671 with the nucleobase. This results in a nucleoside triphosphate conformation where instead of the α-phosphate the sugar moiety is positioned above the 3’-primer terminus. In this scenario all components of the active site are assembled and organized in a topological and geometrical arrangement that does not allow the enzyme to proceed with the chemical step explaining the very low incorporation efficiency. In conclusion, the obtained crystal structures give valuable clues what the difference in incorporation efficiency of the natural nucleotides opposite the abasic site relies on - underpinning the order of incorporation efficiency. Thereby it appears that the confines of the active site geometry govern the nucleotide selection mainly by interaction with Tyr671. The amino acid side chain of Tyr671 occupies the vacant space resulting from the missing template nucleobase acting as a template device.



In line with translesion synthesis studies the template-independent nucleotidyl transfer to the 3’-primer terminus of a blunt-end DNA duplex was investigated. DNA polymerases from diverse sequence families show a high preference of adenosine incorporation at a blunt-end DNA duplex that parallels the incorporation tendency opposite non-instructive abasic sites. The obtained structure shows nearly the same assembly as it was observed for adenosine incorporation opposite an abasic site. The stabilizing factors and interaction pattern are very much alike. Again the amino acid side chain Tyr671 is positioned opposite the incoming adenosine and serves as a template device at a blunt-end situation.



Besides the biological relevance of DNA polymerases these enzymes are widely used in nowadays biotechnological application such as sequencing approaches, microarrays and single molecule techniques. Further, the ability to introduce numerous modifications with substantially different chemical properties enables the access to many diverse scientific questions. Thereby the different substrate spectra of the DNA polymerases are crucial for their assignment, since these modified substrates are not accepted in an equal or predictable manner by DNA polymerases.

In the third part of my work the substrate spectra of KlenTaq DNA polymerase was investigated, since variants of Taq DNA polymerases are widely employed in sequencing approaches. Thereby I focused on the acceptance of C5 modified pyrimidine nucleotide analogs as substrates. Therefore, several modified nucleotide analogs were synthesized. These analogs differ in modification, linker and flexibility. In functional study, two different modified dNTPs (dTspinTP and dTdendTP) were compared with respect to their incorporation efficiency. In direct competition the single incorporation experiments showed that KlenTaq DNA polymerases prefers dTdendTP over dTspinTP by. This finding was further confirmed by pre-steady-states kinetics. In order to get insights into the determinant mechanisms, KlenTaq was crystallized bound to a primer/template duplex and the modified dTTP analogues. Several distinct recognition features for both substrates were identified that might explain the different substrate acceptances. For instance, amino acid Arg660 was identified as critical factor. Processing the natural counterparts Arg660 serves as a clamp between the finger subdomain and the DNA substrate by interacting with the phosphate backbone of the 3’-primer terminus. When different C5 modified substrates were used the conformation of Arg660 was affected. The increased incorporation efficiency of the dendron modified nucleotide analog (dTdendTP) might be traced to the propargylamide linkage, which interacts with Arg660 and additionally allows the interaction of Arg660 with the 3’-primer terminus. In contrast, in dTspinTP the spin label is connected via a short and rigid alkyne linkage placing the modification in the way of Arg660. Thereby the interaction of Arg660 with the phosphate backbone of the 3’-primer terminus is disrupted explaining the decrease in incorporation efficiency. The results of this study suggest that the modifications are better tolerated by A family DNA polymerase if they are attached via linkers that have hydrogen-bonding capability with the enzyme at the depicted positions.
Constitutive to this study the elongation of chemical modified nucleotides and how the modification is accommodated within the DNA double helix in the confinements of a DNA polymerase were investigated by further structural and functional studies. To expand the linker repertory an enlarged rigid linker – ethynylphenylethynyl linker – was chosen as a target. The structural studies of the respective C5 modified pyrimidine analogs in the incorporation position identified Arg587 and Lys663 as stabilization factors, since they are able to interact via cation-π interactions with the phenyl ring. These amino acids clearly contribute to minor decrease in incorporation efficiencies compared to natural counterparts. In correlation with the observation in the presence of dTspinTP, Arg660 is released from its interaction framework to the phosphate backbone of the 3’-primer terminus to make room for the rigid linker.

Further the structural study of incorporation of two consecutive modified substrates revealed that the ethynylphenylethynyl linker can communicate with each other via π-π stacking interaction. Thereby the disruption of the enzyme’s active site might be minimized, due to the reorientations of Arg660 and Arg587. The results of elaborated linker study suggests that the modifications, which need to be rigid linked, are better tolerated by A family DNA polymerase if they are attached via ethynylphenylethynyl linkers. The introduction of an aromatic ring approves various interaction patterns between the modified substrate and the protein as well as stacking interactions to adjacent modified substrates. Based on these findings a design guideline for the development of new modified dNTP, with improved substrate acceptance, can be manifested - representing a basement of rational linker design.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Jede Form der DNA-Synthese wird von spezialisierten Enzymen bewerkstelligt, den DNA-Polymerasen. Dabei sind sie für die Erhaltung der genetischen Information verantwortlich, die in der Sequenzabfolge der DNA gespeichert ist. Um die Funktionsweise von DNA-Polymerasen besser verstehen zu können, haben sich neben funktionellen Studien vor allem strukturelle Studien als hilfreich herausgestellt. Kristallstrukturen bieten dabei die Möglichkeit einen komplexen Vorgang auf atomarer Ebene aufzulösen und darzustellen. Im Rahmen dieser Arbeit sollte anhand von geeigneten Kristallstrukturen in Kombination mit funktionellen Studien unterschiedliche Aspekte untersucht werden.



Der erste Teil meiner Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, wie DNA-Polymerasen mit Schäden wie abasischen Stellen umgehen. Abasische Stellen stellen die häufigsten DNA-Schäden dar. Zudem bergen sie ein hohes mutagenes Potential und werden oft mit Krebs in Verbindung gebracht, da sie die Information, welche in der Nukleobase gespeichert ist, verloren haben. Wird eine abasische Stelle dennoch von DNA-Polymerasen überlesen, bauen sie in der Regel ein Adenosin gegenüber diesem Schaden ein. Dieses Phänomen wurde schon mehrfach beobachtet und ist als „A-rule“ bekannt. Zahlreiche Studien haben dieses Phänomen untersucht und schlussfolgerten, dass sich die Bevorzugung von Adenosin in der verbesserte Stapelwechselwirkung und Desolvatisierungseigenschaften begründet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das große Fragment der DNA-Polymerase I von Thermus Aquaticus (kurz KlenTaq) als Vertreter der Sequenzfamilie A herangezogen, um die „A-rule“ auf struktureller Basis genauer zu untersuchen. Die erhaltene Kristallstruktur von KlenTaq zeigt einem Schnappschuss eines eintretenden Adenosins gegenüber einer abasischen Stelle. Anhand dieser Struktur wurde die Aminosäure Tyrosin 671 als Templatersatz identifiziert und die verbesserte Stapelwechselwirkung als alleiniges Auswahlkriterium nicht bestätigt. Tyr671 ist hoch konserviert unter den A DNA-Polymerasen und nimmt in der Struktur nun die Position ein, die normalerweise von der Templatbase eingenommen wird. Demnach lässt sich ein Art Protein-Templat-Mechanismus formulieren, da die Seitenkette des Tyr671 stark an eine Pyrimidinbase erinnert und somit bevorzugt für den Einbau eines Purin Nukleotids codiert. Basierend auf dieser Kenntnis, zeigten zielgerichtete Mutationsstudien, die von Ramon Kranaster und Nina Blatter durchgeführt wurden, dass die „A-rule“ zu einer „T/C-rule“ gedreht werden kann, indem man das Tyrosin durch ein Tryptophan ersetzt.
Weiterführend wurden die verbleibenden drei natürlicher Nukleotide gegenüber einer abasischen Stelle mit KlenTaq kristallisiert, um noch offene Fragen zu beantworten. Hierbei steht vor allem die Frage im Vordergrund, worauf begründen sich die unterschiedliche Einbaueffizienz von Guanosin gegenüber Adenosin. Generell gelang es mir, Kristallstrukturen der KlenTaq zu erhalten, die ein Guanosin beziehungsweise ein Thymidin gegenüber der abasischen Stelle zeigten. Die Kristallansätze in Anwesenheit von Cytidin ergaben trotz hohem Überschuss an Cytidin einen binären Komplex. Insgesamt zeigten alle erhaltenen ternären Strukturen zwei Auffälligkeiten. Zum einem wurde die Aminosäure Tyrosin 671 als Templatersatz auf Höhe der abasischen Stelle und gegenüber dem eintretenden Nukleotid gefunden und zweitens nimmt das Enzym hierbei eine halboffene Konformation ein. Die entsprechenden Tyrosin Nukleotid „Basenpaare“ unterscheiden sich in ihrer Anordnung des einkommenden Nukleotids und zeigen somit unterschiedliche Wechselwirkungen. Hieraus bedingt sich die schlechte Ausrichtung des α-Phosphats, das für die Phosphatübertragung auf die 3’-OH Gruppe des Primerendes erforderlich ist. Im Einzelnen veranschaulichen die erhaltenen Kristallstrukturen, die Guanosine gegenüber der abasischen Stelle zeigen, dass die geringfügig größere Nukleobase im Gegensatz zu Adenosin eine wesentlich höhere Flexibilität aufweist. Es wurden zwei unterschiedliche Orientierungen für das eintretende Guanosin gefunden. Hierbei wird es unter anderem durch Kation-π Wechselwirkungen zu der Aminosäure Arginin 587 stabilisiert. Die veränderte Anordnung des Guanosins führt zu einem vergrößertem Abstand zwischen dem α-Phosphats und dem 3’-Ende des Primers. Für eine effiziente Katalyse sind somit mehrer Umlagerungen nötig, um die zwei Reaktanden in räumliche Nähe zu bringen. Diese Tatsache spiegelt die verringerte Einbaueffizienz des Guanosins gegenüber dem Adenosin wieder. Die Kristallstruktur, die eine Thymidin gegenüber der abasischen Stelle zeigt, demonstriert wie wichtig das Einpassen des Basenpaars in das aktive Zentrum der DNA-Polymerase für effiziente Katalyse ist. Das Thymidin wird ebenso wie die Purine über eine Wasserstoffbrücke zu Tyr671 stabilisiert. Jedoch führt diese Wechselwirkung zu einer Anlagerung des Thymidins, die die Zuckereinheit an Stelle des α-Phosphats über dem 3’-Ende des Primers platziert. Dies würde die sehr geringe Einbaueffizienz erklären. Die erhaltenen Strukturen liefern zahlreiche Argumente, die die Einbaueffizienzabfolge der Nukleotide gegenüber einer abasischen Stelle erklären können, und tragen somit einen beträchtlich Anteil zum Verständnis des Überlesens der abasischen Stelle auf atomaren Ebene bei.



Parallel hierzu wurde die Fähigkeit einiger DNA-Polymerasen, einen templatunabhängigen 3’-Überhang zu generieren, untersucht. Hierfür wurde erneut KlenTaq, die ebenfalls diese Eigenschaft besitzt, als Modelsystem herangezogen. Die Umstände, dass für das templatunabhängige Verlängern der 3’-Enden der Einbau von Adenosin bevorzugt wird, erinnern an die „A-rule“, die im Falle einer abasischen Stelle befolgt wird. Die erlangte Kristallstruktur, welche die templatunabhängige Generierung eines Überhangs skizziert, verifizierte erneut die Aminosäure Tyrosin 671 als Templatersatz. Zudem weist auch in dieser Struktur das eintretende Adenosin keine Stapelwechselwirkung zum Primer Strang auf. Dieser Umstand schließt jedoch nicht aus, dass zu einem anderen Zeitpunkt des Reaktionsverlaufes diese Eigenschaft ein Auswahlkriterium sein könnte.



Ein weiterer großer Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem Einbau und der Akzeptanz von modifizierten bzw. funktionalisierten Substraten. Die Möglichkeit DNA zu markieren und zu funktionalisieren, bildet die Grundlage von vielen heutzutage gängigen biotechnologischen Anwendungen. Hierzu zählen in erster Linie die Sequenzierungsmethoden der nächsten Generation (next-generation sequencing) aber auch Einzelmolekül Techniken, die auf die Detektion eines einzelnen Moleküls ausgelegt sind. Da es eine Vielzahl an Möglichkeiten gibt eine Funktionalität in die DNA einzuführen, beschränkte man sich im Rahmen dieser Arbeit auf den enzymatischen Einbau von C5 modifizierten Pyrimidin Derivaten. Diese werden bereits in den oben genannten Methoden mehrfach angewendet, obwohl noch nicht geklärt ist, warum einzelne modifizierte Nukleotide als Substrat akzeptiert werden und andere wiederum nicht. Das Anbringen der Modifikation an die C5 Position, stellte sich als geeignet heraus, da hierbei die Basenpaarung nach Watson und Crick erhalten bleibt. Zudem zeigt die Modifikation an dieser Stelle in die große Furche der DNA und beeinflusst die DNA-Struktur somit nur geringfügig. Jedoch ist der Einfluss der Modifikation auf die DNA-Polymerase noch unklar und somit lässt sich schlecht vorhersagen, welche Modifikationen toleriert werden und welche nicht. Um diese Frage zu adressieren wurden eine Reihe von modifizierten Nukleotiden in funktionellen und strukturellen Studien untersucht. Hier wurde wiederum die KlenTaq DNA-Polymerase als Modelenzym herangezogen, da Abkömmlinge der Taq DNA-Polymerase bereits breite Anwendung in Sequenzierungsmethoden finden. Die Einbaustudien zweier modifizierter Nukleotide (dTspinTP und dTdendTP) und deren Quantifizierung zeigten, dass sich diese in ihrer Einbaueffizienz unterscheiden. Das dendron modifizierte dTdendTP ist eine sterisch anspruchsvolle Modifikation, die aber äußerst flexibel ist und über einen Propargylamid Gruppe an die Nukleobase geknüpft ist. Im Gegensatz hierzu ist die Spinsonde bei dTspinTP eine vergleichsweise kleine Modifikation, die über eine starre Alkin Funktionalität an die Nukleobase geknüpft ist. Überraschenderweise ergab sich für das sterisch anspruchsvollere modifizierte Nukleotid (dTdendTP) eine 18-fach höhere Einbaueffizienz im Vergleich zu dem spinmarkierten Nukleotid (dTspinTP). Die erhaltenen Strukturen, die KlenTaq DNA-Polymerase während des Einbaus dieser C5 modifizierten Nukleotiden skizzieren, zeigen das mehrere Aminosäuren durch verschiedenste Wechselwirkungen in der Lage sind diese modifizierte Substrate im Enzym-Substrat Komplex zu stabilisieren bzw. zu destabilisieren. Für besonders geeignet stellte sich die Propargylamid Verknüpfung heraus. Diese lässt sich durch Wasserstoffbrücken zu der Aminosäure Arginin 660 stabilisieren. Zusätzlich ermöglicht die Propargylamid Verknüpfung die Wechselwirkung des Arginins mit dem Phosphatrückgrad des 3’-Primerendes und liefert somit die Erklärung für die verbesserte Einbaueffizienz im Vergleich zu dem spinmarkiertem Nukleotid, da die besagte Wechselwirkung durch die rigide Struktur der Spinsonde nicht ausgebildet werden kann. Diese Kristallstrukturen bilden somit die Grundlage für erste Gestaltungsrichtlinien für die bestmögliche Verknüpfungsart.

Für die Erweiterung der Gestaltungsrichtlinien für Verknüpfungsarten wurden Pyrimidin Derivate synthetisiert, die einen verlängerten starren Linker (Ethynylphenylethenyl) aufweisen. Die durchgeführten Einbaustudien ergaben, dass im direktem Vergleich zu den entsprechenden natürlichen Nukleotiden nur ein geringer Rückgang in der Einbaueffizienz beobachtet werden konnte. In den dazugehörigen strukturellen Studien wurde neben dem Einbau auch die Verlängerung der modifizierten Substrate untersucht. Der Ethynylphenylethynyl Linker empfiehlt sich als steifer Linker, da er verschiedenste Stabilisierungsmöglichkeiten über den aromatischen Ring bietet. Die Kristallstrukturen, die den Einbau dieser modifizierten Nukleotide skizzieren, zeigen, dass der Phenylring beidseitig über Kationen-π Wechselwirkungen der Aminosäuren Arginin 587 und Lysin 663 stabilisiert wird. Weiterführend zeigt die Kristallstruktur, die den Einbau von zwei aufeinander folgenden modifizierten Nukleotiden skizziert, dass die Phenylringe miteinander über π-π Stapelwechselwirkung interagieren können. Hierbei wird das konjugierte System, das zuvor über die Nukleobase und Modifikation reichte, aufgehoben und ist nun in sich verdrillt. Diese Verdrillung sorgt für die Neuorientierung der Aminosäuren Arginin 660 und 587 und deutet somit an, dass die Störung im aktiven Zentrum der DNA-Polymerase minimiert wird.


Anhand dieser Kenntnisse lässt sich eine Art Designvorlage verfassen, wie die Modifikation der Wahl am bestmöglich an die Nukleobase verknüpft werden kann um eine möglichst hohe Substratakzeptanz zu erzielen. Diese kann in Kombination mit gerichteter Evolution der DNA-Polymerasen Inspiration für neue Anwendungsbereiche sein.

Fachgebiet (DDC)
540 Chemie

Schlagwörter

DNA polymerases, translesion bypass, abasic site, modified nucleotides, functionalized nucleotides

Konferenz

Rezension
undefined / . - undefined, undefined

Forschungsvorhaben

Organisationseinheiten

Zeitschriftenheft

Zugehörige Datensätze in KOPS

Zitieren

ISO 690LUDMANN, Samra, 2012. Snapshots of DNA polymerase processing aberrant substrates : Structural insights into abasic site bypass and polymerization of 5-alkynylated nucleotide analogs [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
BibTex
@phdthesis{Ludmann2012Snaps-19757,
  year={2012},
  title={Snapshots of DNA polymerase processing aberrant substrates : Structural insights into abasic site bypass and polymerization of 5-alkynylated nucleotide analogs},
  author={Ludmann, Samra},
  address={Konstanz},
  school={Universität Konstanz}
}
RDF
<rdf:RDF
    xmlns:dcterms="http://purl.org/dc/terms/"
    xmlns:dc="http://purl.org/dc/elements/1.1/"
    xmlns:rdf="http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#"
    xmlns:bibo="http://purl.org/ontology/bibo/"
    xmlns:dspace="http://digital-repositories.org/ontologies/dspace/0.1.0#"
    xmlns:foaf="http://xmlns.com/foaf/0.1/"
    xmlns:void="http://rdfs.org/ns/void#"
    xmlns:xsd="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#" > 
  <rdf:Description rdf:about="https://kops.uni-konstanz.de/server/rdf/resource/123456789/19757">
    <dc:contributor>Ludmann, Samra</dc:contributor>
    <dcterms:issued>2012</dcterms:issued>
    <dcterms:abstract xml:lang="eng">DNA polymerases are involved in all DNA synthesis events occurring in nature. Therefore, these enzymes are essential for the maintenance of the genetic information and its stability. Structural and functional studies have added significantly to our understanding of the basic mechanisms of DNA synthesis by DNA polymerases. Thereby, X-ray crystallography has become a powerful tool to gain further insights into structure-function relationships of DNA polymerases. Based on crystal structure analysis of DNA polymerases in combination with functional studies three different aspects were addressed.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;The aim of the first topic was to investigate the mechanisms by which DNA polymerases from sequence family A perform synthesis through DNA lesions. Abasic sites represent the most frequent DNA lesions in the genome. These lesions are highly mutagenic and lead to mutations that are commonly found in human cancers. Although abasic sites are devoid of genetic information, adenosine is most efficiently inserted when this lesion is bypassed by DNA polymerases that are involved in DNA replication and repair – a process termed A-rule. Numerous functional and structural studies investigated this phenomenon and concluded that superior stacking and desolvation properties explain the preference of adenosine over the other nucleotides. In this work the large fragment of the DNA polymerase I of Thermus aquaticus DNA polymerase (KlenTaq) was chosen as a model enzyme for the sequence family A DNA polymerases. By means of this enzyme the ‘A-rule’ was investigated based on structural studies. Thereby a first X-ray structure of DNA polymerases that follow the A-rule caught while incorporating a nucleotide opposite an abasic site was determined. These studies reveal that a protein side chain, which is highly conserved throughout evolution from bacteria to humans, directs for nucleotide incorporation rather than DNA. By filling the vacant space of the absent template nucleobase this tyrosine residue mimics a pyrimidine nucleobase in the absence of nucleobase information and directs for purine selection due to geometric fit to the active site of the enzyme. Further, Arg587 was identified as a stabilizing factor for the incoming adenosine. The preference of adenosine over guanosine and the pyrimidine nucleotides were also investigated by crystal structures of KlenTaq in complex with the respective nucleoside triphosphates opposite an abasic site. Thereby the crystal trials in the presence of guanosine and thymidine resulted in ternary complexes, whereas even in the presence of an excess of cytidine a binary complex was observed. In general, the obtained ternary complexes revealed independent of the incoming natural nucleotide opposite the abasic site two noticeable alterations compared to the canonical cases. Firstly, it was always observed that Tyr671 is placed opposite the incoming nucleotide and secondly, the enzyme adopts a semi-closed conformation. The respective tyrosine nucleotide base pairs result in different active site arrangements and interaction patterns causing a misalignment of the α–phosphate. In detail, the slightly bigger guanine base is differently accommodated in the active site compared to the adenine nucleobase resulting in an enlarged distance of the α–phosphate to the 3’-primer terminus. These models are in line with the kinetic studies, which were performed by Nina Blatter, and might explain the decrease in incorporation efficiency of guanosine opposite an abasic site compared to adenosine. In case of the unfavored pyrimidines, I obtained a structure showing an incoming ddTTP opposite an abasic site. The DNA polymerase interacts with the incoming nucleotide again by hydrogen bonding of Tyr671 with the nucleobase. This results in a nucleoside triphosphate conformation where instead of the α-phosphate the sugar moiety is positioned above the 3’-primer terminus. In this scenario all components of the active site are assembled and organized in a topological and geometrical arrangement that does not allow the enzyme to proceed with the chemical step explaining the very low incorporation efficiency. In conclusion, the obtained crystal structures give valuable clues what the difference in incorporation efficiency of the natural nucleotides opposite the abasic site relies on - underpinning the order of incorporation efficiency. Thereby it appears that the confines of the active site geometry govern the nucleotide selection mainly by interaction with Tyr671. The amino acid side chain of Tyr671 occupies the vacant space resulting from the missing template nucleobase acting as a template device.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;In line with translesion synthesis studies the template-independent nucleotidyl transfer to the 3’-primer terminus of a blunt-end DNA duplex was investigated. DNA polymerases from diverse sequence families show a high preference of adenosine incorporation at a blunt-end DNA duplex that parallels the incorporation tendency opposite non-instructive abasic sites. The obtained structure shows nearly the same assembly as it was observed for adenosine incorporation opposite an abasic site. The stabilizing factors and interaction pattern are very much alike. Again the amino acid side chain Tyr671 is positioned opposite the incoming adenosine and serves as a template device at a blunt-end situation.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;Besides the biological relevance of DNA polymerases these enzymes are widely used in nowadays biotechnological application such as sequencing approaches, microarrays and single molecule techniques. Further, the ability to introduce numerous modifications with substantially different chemical properties enables the access to many diverse scientific questions. Thereby the different substrate spectra of the DNA polymerases are crucial for their assignment, since these modified substrates are not accepted in an equal or predictable manner by DNA polymerases.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;In the third part of my work the substrate spectra of KlenTaq DNA polymerase was investigated, since variants of Taq DNA polymerases are widely employed in sequencing approaches. Thereby I focused on the acceptance of C5 modified pyrimidine nucleotide analogs as substrates. Therefore, several modified nucleotide analogs were synthesized. These analogs differ in modification, linker and flexibility. In functional study, two different modified dNTPs (dTspinTP and dTdendTP) were compared with respect to their incorporation efficiency. In direct competition the single incorporation experiments showed that KlenTaq DNA polymerases prefers dTdendTP over dTspinTP by. This finding was further confirmed by pre-steady-states kinetics. In order to get insights into the determinant mechanisms, KlenTaq was crystallized bound to a primer/template duplex and the modified dTTP analogues. Several distinct recognition features for both substrates were identified that might explain the different substrate acceptances. For instance, amino acid Arg660 was identified as critical factor. Processing the natural counterparts Arg660 serves as a clamp between the finger subdomain and the DNA substrate by interacting with the phosphate backbone of the 3’-primer terminus. When different C5 modified substrates were used the conformation of Arg660 was affected. The increased incorporation efficiency of the dendron modified nucleotide analog (dTdendTP) might be traced to the propargylamide linkage, which interacts with Arg660 and additionally allows the interaction of Arg660 with the 3’-primer terminus. In contrast, in dTspinTP the spin label is connected via a short and rigid alkyne linkage placing the modification in the way of Arg660. Thereby the interaction of Arg660 with the phosphate backbone of the 3’-primer terminus is disrupted explaining the decrease in incorporation efficiency. The results of this study suggest that the modifications are better tolerated by A family DNA polymerase if they are attached via linkers that have hydrogen-bonding capability with the enzyme at the depicted positions.&lt;br /&gt;Constitutive to this study the elongation of chemical modified nucleotides and how the modification is accommodated within the DNA double helix in the confinements of a DNA polymerase were investigated by further structural and functional studies. To expand the linker repertory an enlarged rigid linker – ethynylphenylethynyl linker – was chosen as a target. The structural studies of the respective C5 modified pyrimidine analogs in the incorporation position identified Arg587 and Lys663 as stabilization factors, since they are able to interact via cation-π interactions with the phenyl ring. These amino acids clearly contribute to minor decrease in incorporation efficiencies compared to natural counterparts. In correlation with the observation in the presence of dTspinTP, Arg660 is released from its interaction framework to the phosphate backbone of the 3’-primer terminus to make room for the rigid linker.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;Further the structural study of incorporation of two consecutive modified substrates revealed that the ethynylphenylethynyl linker can communicate with each other via π-π stacking interaction. Thereby the disruption of the enzyme’s active site might be minimized, due to the reorientations of Arg660 and Arg587. The results of elaborated linker study suggests that the modifications, which need to be rigid linked, are better tolerated by A family DNA polymerase if they are attached via ethynylphenylethynyl linkers. The introduction of an aromatic ring approves various interaction patterns between the modified substrate and the protein as well as stacking interactions to adjacent modified substrates. Based on these findings a design guideline for the development of new modified dNTP, with improved substrate acceptance, can be manifested - representing a basement of rational linker design.</dcterms:abstract>
    <dcterms:rights rdf:resource="https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/"/>
    <dcterms:title>Snapshots of DNA polymerase processing aberrant substrates : Structural insights into abasic site bypass and polymerization of 5-alkynylated nucleotide analogs</dcterms:title>
    <foaf:homepage rdf:resource="http://localhost:8080/"/>
    <dc:language>eng</dc:language>
    <dcterms:isPartOf rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/server/rdf/resource/123456789/29"/>
    <dcterms:available rdf:datatype="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#dateTime">2012-07-18T06:53:55Z</dcterms:available>
    <dc:rights>terms-of-use</dc:rights>
    <dcterms:hasPart rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/bitstream/123456789/19757/1/Dissertation_Obeid.pdf"/>
    <dspace:isPartOfCollection rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/server/rdf/resource/123456789/29"/>
    <bibo:uri rdf:resource="http://kops.uni-konstanz.de/handle/123456789/19757"/>
    <dspace:hasBitstream rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/bitstream/123456789/19757/1/Dissertation_Obeid.pdf"/>
    <void:sparqlEndpoint rdf:resource="http://localhost/fuseki/dspace/sparql"/>
    <dc:date rdf:datatype="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#dateTime">2012-07-18T06:53:55Z</dc:date>
    <dc:creator>Ludmann, Samra</dc:creator>
  </rdf:Description>
</rdf:RDF>

Interner Vermerk

xmlui.Submission.submit.DescribeStep.inputForms.label.kops_note_fromSubmitter

Kontakt
URL der Originalveröffentl.

Prüfdatum der URL

Prüfungsdatum der Dissertation

May 4, 2012
Finanzierungsart

Kommentar zur Publikation

Allianzlizenz
Corresponding Authors der Uni Konstanz vorhanden
Internationale Co-Autor:innen
Universitätsbibliographie
Ja
Begutachtet
Diese Publikation teilen