16SリボソームRNAのヘリックス18の疑似結びの熱力学

Thermodynamics of the pseudo-knot in helix 18 of 16S ribosomal RNA.

• Monika Wojciechowska
• Marta Dudek
• Joanna Trylska

抄録

大腸菌16S rRNAの断片は、ヌクレオチド500から545で形成され、らせん18と呼ばれています。ヌクレオチド505-507と524-526は疑似結び目を形成し、その歪みはリボソームの機能に影響を与えます。リボソームの文脈から分離されたヘリックス18は、このようにして、疑似結びを持つRNAの構造的性質と折り畳みを調べるための興味深い断片である。全原子分子動力学シミュレーション、分光学的実験、ゲル電気泳動実験を用いて、我々はヘリックス18の熱力学を、その疑似結び目に焦点を当てて研究した。また、溶液中での研究では、ヘリックス18の二量体化が観測された。擬似結び目を形成しているヌクレオチドを含むループが、ヘリックス18の別のモノマーと相互作用していることを提案した。本来の二量体は壊れにくいが、疑似結びに突然変異を導入することで、ヘリックス18の単量体化が確実になった。310Kでの分子動力学シミュレーションにより疑似結びの安定性が確認されたが、高温ではこの疑似結びがヘリックス18の最初の部分で水素結合パターンを失うことがわかった。ヘリックス18の安定性をさらに調べるために、疑似結びを含むヌクレオチドストレッチに相補的な短いオリゴマーとヘリックス18の相互作用を解析した。ヘリックス18による高次構造の形成は、ペプチド核酸と2'-OメチルRNAオリゴマーのハイブリダイゼーション効率に影響を与える。

A fragment of E. coli 16S rRNA formed by nucleotides 500 to 545 is termed helix 18. Nucleotides 505-507 and 524-526 form a pseudo-knot and its distortion affects ribosome function. Helix 18 isolated from the ribosome context is thus an interesting fragment to investigate the structural properties and folding of RNA with pseudo-knots. With all-atom molecular dynamics simulations, spectroscopic and gel electrophoresis experiments, we investigated thermodynamics of helix 18, with a focus on its pseudo-knot. In solution studies at ambient conditions we observed dimerization of helix 18. We proposed that the loop, containing nucleotides forming the pseudo-knot, interacts with another monomer of helix 18. The native dimer is difficult to break but introducing mutations in the pseudo-knot indeed assured a monomeric form of helix 18. Molecular dynamics simulations at 310 K confirmed the stability of the pseudo-knot but at elevated temperatures this pseudo-knot was the first part of helix 18 to lose the hydrogen bond pattern. To further determine helix 18 stability, we analyzed the interactions of helix 18 with short oligomers complementary to a nucleotide stretch containing the pseudo-knot. The formation of higher-order structures by helix 18 impacts hybridization efficiency of peptide nucleic acid and 2'-O methyl RNA oligomers.

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