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Type: Tese de Doutorado
Title: Desenvolvimento de modelos mesoscópicos assimétricos para oligonucleotídeos e sua aplicação a defeitos tipo single-bulges em RNAs
Authors: Erik de Oliveira Martins
First Advisor: Jorge Chahine
First Referee: Ubirajara Agero Batista
Second Referee: Simone Silva Alexandre
Third Referee: Rita Maria Cunha de Almeida
Abstract: O entendimento de estruturas de RNAs não canônicos como despareamentos, protuber âncias, bases triplas, laços internos, hairpins e pseudo-nós, vem crescendo devido a seus pap éis biológicos em que são submetidas e as amplitudes de movimento realizadas. Em particular, estruturas contendo protuberâncias (bulges) tem sido importantes em interações RNA-RNA, RNA ligantes e também são sítios especícos para as ligações de proteínas. Diversos modelos físicos estão sendo utilizados nesse tipo de estudo. O modelo termodinâmico mais utilizado no estudo de estruturas de RNAs não canônicos desse tipo é o modelo de primeiros vizinhos (NN). Entretanto, apesar da quantidade de trabalhos publicados utilizando o modelo NN, o modelo não consegue fazer uma ligação física das energias termodinâmicas calculadas com as propriedades estruturais que essas moléculas assumem. É necessário a procura de modelos alternativos para um melhor entendimento de duplexos com esses defeitos. Modelos mesoscópicos tipo Peyrard-Bishop (PB) ainda não foram utilizados no estudo das protuberâncias. O modelo PB consegue descrever de forma intuitiva as interações contidas em duplexos. Ao longo dos últimos anos, variações do modelo PB tem sido utilizados em diversas aplicações físicas e alcançando resultados importantes no estudo das propriedades termodinâmicas de duplexos canônicos. Entretanto, o mesmo não foi aplicado a estruturas assim étricas antes. Neste trabalho, mostramos que é possível o uso do modelo Peyrard-Bishop no estudo de estruturas assimétricas de DNAs e RNAs com protuberâncias de uma base ( singlebulges). Na primeira parte do trabalho, adaptamos a Hamiltoniana do modelo PB de forma que ela descreva o empilhamento (stacking) para diferentes monômeros. Através de um tratamento algébrico adequado, mostramos que o modelo Peyrard-Bishop com empilhamento harmônico descreve estruturas assimétricas com uma constante elástica efetiva, de natureza similar a de um oscilador harmônico com molas em série. A função de partição para esse sistema também pode ser resolvida numericamente pela técnica de integral de transferência (IT). Buscamos o mesmo tratamento para o potencial com empilhamento anarmônico. Nesse caso, chegamos a uma equação de Fredholm de segunda ordem, que torna o método IT impraticável. Para a 5 solução da equação de Fredholm de segunda ordem, sugerimos o uso de blocos de funções de pulso (2D-BPFs) e as aplicamos ao modelo Peyrard-Bishop em um polímero de DNA contendo somente pares de base CG. Em seguida, usamos com sucesso o resultado da assimetria com potenciais harmônicos para o estudo de single-bulges do Grupo I em moléculas de RNA. Para isso, criamos uma pseudo-base para denotar a posição do bulge no duplexo na ta oposta e dividimos as interações locais próximas ao bulge em subgrupos. Os parâmetros do modelo PB pertencentes a cada subgrupo foram calculados através de uma minimização entre as temperaturas preditas e experimentais. Para uma melhor compreensão dos resultados, estudamos os pers de aberturas de sequências experimentais que mostram uma forte pertubação para bulges guanosinas, não relatada em estudos anteriores. Os cálculos feitos para as sequências experimentais contendo single-bulges adenosinas e uridinas estão em acordo com medidas de ressonância magnética nuclear (NMR). Como no caso experimental, notamos uma certa prefer ência de bulges uridinas possuírem a conguração para fora da hélice (ipped out). Os resultados encontrados aqui no estudo de bulges demonstram a correlação entre propriedades termodinâmicas e propriedades estruturais físicas.
Abstract: There is a growing understanding of the biological role of non-canonical RNAs such as mismatches, bulges, triple bases, internal loops hairpins and pseudo-knots, and the nonlinear behavior associated with these processes. In particular, structures containing bulges are important for RNA-RNA interactions, RNA ligands and specic sites of protein bondings. Several physical models are being used for this kind of study. The most frequently used thermodynamic model for non-canonical RNAs of this kind is the nearest-neighbor model (NN model). However, despite the large number of studies using this model they do not obtain a physical relationship between the thermodynamic energies and the structural properties that these molecules assume. Therefore, it is necessary to nd alternative models for a better understanding these kind of defects. The mesoscopic models such as the Peyrard-Bishop (PB) model have not been used in the study of bulges. The PB model can describe in an intuitive way the interactions contained in these duplexes. In the last few years, several variants of this model were used in dierent physical applications and achieved important results with respect to the thermodynamic properties of canonical duplexes. However, the PB model has not been applied to asymmetric structures before. In this work, we show that it is possible to use the Peyrard-Bishop model in asymmetric structures of DNA and RNA containing single-bulges. In the rst part of this work, we adapted the Hamiltonian of the Peyrard-Bishop model to describe the stacking of dierent monomers. We show through the algebraic treatment that the PB model with harmonic stacking describes asymmetrical structures with an eective elastic constant, similar to harmonic oscillators in series. The partition function of this system can be solved numerically by the transfer integral (TI) method, as in the original model. We tried the same treatment with the Hamiltonian with an anharmonic stacking. In this case however, we obtained a Fredholm equation of the second type, that makes it impossible to use the TI technique. For the solution of the Fredholm equation of the second type, we suggest the use of two-dimensional block pulse functions (2D-BPFs) and we apply these functions to the original model for a polymer of the DNA 7 containing only CG base pairs. After that, we apply successfully the asymmetry results to the study of Group I single-bulges in RNA molecules. For this purpose, we created a pseudo-base to describe the absence of the base in the opposite direction of the bulge and divide the local interactions into subgroups of parameters. The parameters of each subgroup were calculated through the minimization between the predicted and experimental temperatures. For a better understanding of the results, we study the opening proles of the experimental sequences and we found a strong perturbation of the guanosine bulges in the sequences that were not related before. The calculations for the experimental sequences containing adenosine and uridine bulges are in agreement with the nuclear magnetic resonance (NMR) measurements. As in the experiment, we note a preference of the uridine bulges for a ipped out conguration. The results found here in the study of bulges showed the correlation of thermodynamic properties with the structural properties of these molecules.
Subject: Biofísica
DNA
Modelo mesoscópico
Acido ribonucleico
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/SMRA-BBLJN7
Issue Date: 15-Mar-2018
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