Estudo de modificações de RNA através de modelos mesoscópicos: inosina e pseudouridina
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Ubirajara Agero Batista
Erik de Oliveira Martins
Erik de Oliveira Martins
Resumo
Modificações de RNA são pequenas alterações quı́micas que ocorrem em suas bases
nitrogenadas, levando a mudanças das propriedades físicas, quı́micas e estruturais. Atualmente,
mais de 150 modificações de ocorrência natural em RNA são conhecidas. Essas modificações
são muitas vezes essenciais para o funcionamento correto de diversos mecanismos celulares
e para o desenvolvimento correto de organismos complexos. Além disso, os ácidos nucleicos modificados podem ser usados em uma ampla variedade de técnicas biotecnológicas, como
RT-PCR, protocolos de entrega de medicamentos e vacinas de mRNA. A inosina (I) é resultado da deaminação de uma adenina (A) devido à atuação de três enzimas da famı́lia adenosina
deaminase agindo em RNA (ADAR). A inosina em mRNA é, usualmente, reconhecida pelo ribossomo como uma guanosina (G), o que pode resultar na tradução não sinônima de proteı́nas,
sendo um fator de variabilidade epigenética. A presença irregular de inosina na molécula de
RNA está relacionada a várias doenças, em especial doenças cognitivas degenerativas, como o
Alzheimer. A pseudouridina (Ψ) é um isômero da uridina (U) e a modificação mais frequentemente encontrada na molécula de RNA, estando presente no mRNA, tRNA e em outros tipos de
RNA. Sua ocorrência é resultado da atuação de diversas enzimas que atuam de forma altamente
especı́fica nas sequências de RNA. Uma das principais funções da pseudouridina é estabilizar
estruturas secundárias de RNAs complexos, como o tRNA e o rRNA. A N1-metilpseudouridina
(m1 Ψ) é o resultado da metilação de pseudouridina e tem sido amplamente utilizada em vacinas
de mRNA como um substituto da uridina. Neste trabalho, utilizamos o modelo de próximos
vizinhos (NN) e o modelo mesoscópico Peyrard-Bishop (PB) para estudar a contribuição da
inosina, pseudouridina e N1-metilpseudouridina para a estabilidade termodinâmica de duplexos
de RNA. O modelo NN descreve essa estabilidade pelas contribuições energéticas de cada par
de bases, enquanto que o modelo PB, um modelo de fı́sica-estatı́stica, considera as ligações de
hidrogênio e do empilhamento entre os pares de bases e seus vizinhos para a estabilidade termodinâmica do duplexo. Parâmetros referentes à essas interações foram obtidos para sequências
de RNA modificado. Foram analisadas temperaturas de desnaturação de 71 sequências de RNA
contendo inosina, 41 com pseudouridina e 9 com N1-metilpseudouridina. Nossos resultados
sugerem que essas modificações são capazes de estabilizar o duplexo de RNA. Essa estabilidade proporcionada pelas modificações é, geralmente, dependente do contexto da sequência em
que estão inseridas, podendo contribuir negativamente ou positivamente para a estabilidade do
duplexo. A inosina mostra uma tendência de desestabilizar o duplexo. Em especial, o par IU
apresenta resultados que indicam a presença de apenas uma ligação de hidrogênio. Em geral, os
pares com pseudouridina atuam no sentido de estabilizar o duplexo. A N1-metilpseudouridina
atua de forma similar à pseudouridina e apresenta uma interação mais forte com os vizinhos.
Os parâmetros termodinâmicos obtidos para essas três modificações em RNA podem contribuir,
com o cálculo de temperaturas de desnaturação e dos perfis de abertura, para o design de sondas
em diagnósticos, e também no desenvolvimento de vacinas baseadas em RNA.
Abstract
RNA modifications are small chemical changes that occur in their nitrogenous bases, leading to alterations in physical, chemical, and structural properties. Currently, more than 150 naturally occurring RNA modifications are known. These modifications are often essential for the proper functioning of various cellular mechanisms and for the correct development of complex organisms. Furthermore, modified nucleic acids can be used in a wide range of biotechnological techniques, such as RT-PCR, drug delivery protocols, and mRNA vaccines.
Inosine (I) results from the deamination of adenine (A) due to the action of three enzymes from the adenosine deaminase family acting on RNA (ADAR). In mRNA, inosine is usually recognized by the ribosome as guanosine (G), which can result in non-synonymous protein translation, contributing to epigenetic variability. The irregular presence of inosine in the RNA molecule is associated with several diseases, especially neurodegenerative cognitive diseases such as Alzheimer’s.
Pseudouridine ($\Psi$) is an isomer of uridine (U) and the most frequently found modification in RNA molecules, being present in mRNA, tRNA, and other RNA types. Its occurrence results from the action of various enzymes that act highly specifically on RNA sequences. One of the main functions of pseudouridine is to stabilize the secondary structures of complex RNAs, such as tRNA and rRNA. N1-methylpseudouridine (m$^1\Psi$) results from the methylation of pseudouridine and has been widely used in mRNA vaccines as a substitute for uridine.
In this work, we used the nearest-neighbor (NN) model and the Peyrard-Bishop (PB) mesoscopic model to study the contribution of inosine, pseudouridine, and N1-methylpseudouridine to the thermodynamic stability of RNA duplexes. The NN model describes this stability through the energetic contributions of each base pair. In contrast, the PB model, a statistical physics model, considers hydrogen bonds and stacking interactions between base pairs and their neighbors for the thermodynamic stability of the duplex.
Parameters related to these interactions were obtained for modified RNA sequences. Melting temperatures of 71 RNA sequences containing inosine, 41 with pseudouridine, and 9 with N1-methylpseudouridine were analyzed. Our results suggest that these modifications can stabilize the RNA duplex. This stability provided by the modifications generally depends on the sequence context in which they are inserted, potentially contributing negatively or positively to duplex stability.
Inosine shows a tendency to destabilize the duplex. In particular, the IU pair shows the presence of only one hydrogen bond. In general, pairs with pseudouridine act to stabilize the duplex. N1-methylpseudouridine behaves similarly to pseudouridine and shows stronger interaction with neighbors.
The thermodynamic parameters obtained for these three RNA modifications may contribute, using the calculation of melting temperatures and opening profiles, to the design of probes in diagnostics and also the development of RNA-based vaccines.
Assunto
Ácido ribonucleico
Palavras-chave
RNA modificado, Modelos mesoscópicos, Temperatura de desnaturação, Bases modificadas
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