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Type: Tese de Doutorado
Title: Análise da estabilidade termodinâmica e de parâmetros estruturais de DNA e RNA por modelos mesoscópicos
Authors: Tauanne Dias Amarante
First Advisor: Gerald Weber
First Referee: Ubirajara Agero Batista
Second Referee: Carla Goldman
Third Referee: Simone Silva Alexandre
metadata.dc.contributor.referee4: José Roberto Ruggiero
Abstract: Modelos mesoscopicos como o proposto por Peyrard e Bishop apresentam uma relevancia significativa no estudo da estabilidade termica de DNA e RNA. A sua simplicidade computacional permite a analise desses oligonucleotideos por periodos mais longos e de importancia fisiologica e experimental inacessiveis por tecnicas mais sofisticadas. Recentemente houve bastante progresso na parametrizacao dos pares de bases canonicos CG e AT em DNA e CG e AU em RNA para este modelo. No entanto, por serem mais estaveis do que pares nao-canonicos, essas bases sao relativamente simplesde modelar. Nosso estudo viabilizou a aplicacao do modelo PB alem das bases canonicas, bem como a investigacao de parametros estruturais. O primeiro sistema que foi estudado e o de guanina-uracila (GU) em RNA. GU desempenha um papel biologico importante, atuando como um local de reconhecimento para biomoleculas, alem de ser o par nao complementar mais comum em RNA. Devido a nao isostericidadedo par GU, sua estabilidade e influenciada pelo contexto da sequencia. GU apresenta diversas possibilidades conformacionais, inclusive assumindo um numero diferente de ligacoes hidrogenio dependendo das bases vizinhas. Para considerar todas as possibilidades de contexto de GU em RNA e necessario lidar com uma quantidademuito grande de parametros. Esse problema e contornado ao realizarmos a otimizacao de parametros correlacionando com dados de temperatura de desnaturacao obtidos da literatura. Desenvolvemos uma estrategia de reducao do espaco de busca de parametros que possibilitou a determinacao de grupos de configuracao de GU ordenados por intensidade de ligacao de hidrogenio. Em comparacao com dados experimentais da literatura obtivemos uma grande concordancia nas ligacoes de hidrogenio, em especial com as tecnicas de NMR. Assim, pudemos nao apenas concluir a parametrizacao deGU em RNA mas tambem demonstrar que a tecnica permite prever ligacoes de hidrogenio de pares de base nao-canonicos. No segundo tema nos abordamos a limitacao da Hamiltoniana 2D Peyrard-Bishop que nao inclui qualquer parametro estrutural. Mostramos que e possivel partir de uma formulacao Hamiltoniana helicoidal e obter uma Hamiltoniana modificada em 2D que inclui a informacao sobre o passo da helice de DNA, tecnicamente chamado de rise. Nesse estudo tambem usamos o metodo de otimizacao correlacionando com dados de desnaturacao disponiveis na literatura para obter valores de rise. Para realizar a comparacao dos nossos resultados com os obtidospor medidas experimentais, desenvolvemos uma ferramenta de pesquisa que acessa a base de dados no Nucleic Acids Database (NDB) e seleciona as sequencias de interesse para obter valores de rise oriundos de raios-x e NMR. A concordancia dos nossos resultadosde rise foi em geral semelhante com os do NDB com excecao de AT seguido de TA em DNA. Alem disto, pudemos estudar a variacao do rise em funcao de concentracao salina. Os nossos resultados evidenciam a possibilidade de realizar estudos estruturais em oligonucleotideos usando temperaturas de desnaturacao.
Abstract: Mesoscopic models, like the one proposed by Peyrard and Bishop, are important for the study of the thermal stability of DNA and RNA. Its computational simplicity allows to analyse these oligonucleotides over longer time scales of physiological and experimental importance which are not accessible by more sophisticated techniques. Recently, there has been progress in the parametrization of canonical base pairs for this model. However, as they are more stable than non-canonical pairs, these bases are relatively easy to model. Our study aimed at applying the PB model beyond the canonical bases, as well as to investigate structural parameters. The first system we analysed was guanine-uracil (GU) in RNA. GU has an important biological role, acting as a recognition site for biomolecules and is also the most common non-complementarybase pair in RNA. Due to the non-isostericity of GU, its stability is influenced by the sequence context. GU has several conformational possibilities and may even have different hydrogen bonds depending on neighbouring bases. To consider all context possibilities for GU in RNA it becomes necessary to deal with a very large number of parameters. This problem is dealt with by optimizing the parameters correlatingwith melting temperature data from the literature. We developed a strategy to reduce the parameter search space which allowed us to determine GU configuration groups sorted by hydrogen bond intensity. When comparing with experimental results from the literature we obtain a good agreement for the hydrogen bonds, especially from NMR. Therefore, we not only were able to conclude the parametrization of GU inRNA but also to demonstrate that the technique allows to predict hydrogen bonds for non-canonical base pairs. In the second subject we approached a limitation of the 2D Peyrard-Bishop Hamiltonian which is the lack of structural parameters. We showed that it is possible to start from a helicoidal Hamiltonian and obtain a modified 2D Hamiltonian which includes information about the helix step, technically known asrise. In this study we also use the optimization method where we correlate melting temperature data from the literature to obtain the values for rise in DNA. To perform the comparison of our results with those obtained from experimental measurements we developed a query tool which accesses the Nucleic Acids Database (NDB) and selectssequences of interest to obtain values of rise coming from X-ray and NMR. In general our results agreed well with those from the NDB except for AT followed by TA in DNA. Furthermore, we were able to study the variation of rise with salt concentration. Our results show the possibility of performing structural studies in oligonucleotides using melting temperatures.
Subject: DNA
Acido ribonucleico
Física
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-AF9LZP
Issue Date: 6-May-2016
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