Skip to main content

Odseki

Vpogled v mehanizem delovanja spajalnega telesca na atomskem nivoju: multiskalne simulacije molekulske dinamike razkrivajo podrobnosti genskega izrezovanja in spajanja

Šifra projekta: Z1-1855 

Obdobje trajanja projekta:1. 7. 2019 - 1. 7. 2021

Vodja projekta: dr. Jure Borišek

 

1. Vsebinski opis projekta

Po desetletjih raziskovalnih prizadevanj je biologija spajalnega telesca (SPL) doživela preporod zaradi naraščajočega števila struktur krioelektronske mikroskopije (krio-EM) pri skoraj atomistični ločljivosti iz kvasovk in človeškega SPL, ki so se pojavile v zadnjih nekaj letih let. Prisotnost nekodirajočih zaporedij (intronov) v nastajajočih transkriptih RNA je značilnost genoma vseh organizmov. Pred translacijskim procesom nastanka proteinov se morajo introni odstraniti. SPL, makromolekularni stroj, sestavljen iz 5 majhnih jedrnih RNA in več sto proteinov, izvaja odstranitev intronov (tj. spajanje) v evkariontih. V SPL poteka spajanje v dveh zaporednih reakcijah, ki jih katalizirata dva magnezijeva iona. SPL je vseskozi podvržen številnim kompozicijskim in konformacijskim spremembam.

Iz številnih publikacij s visokim faktorjem vpliva, ki so se pojavili v zadnjih nekaj letih, je očitno, da strukturna biologija SPL doživlja preobrazbo in da je področje molekularnih simulacij dovolj zrelo, da lahko zagotovi mikroskopski vpogled v mehanizem takega ključnega biološkega stroja. Vendar pa glavni izziv ostaja kako v celoti pojasniti prepoznavanje in cepitev pre-mRNA intronov z nukleotidno natančnostjo, kako proteini, ki interagirajo s snRNA, modulirajo spajanje in mehanistične podrobnosti dveh spajalnih reakcij.

Rezultati tega projekta, pridobljeni z najsodobnejšimi molekularnimi simulacijami, bodo dopolni sedanjo vrzel v razumevanju mehanizma SPL z: (i) izboljšanjem izbranih struktur, ki so bile rešene s krio-EM pri skoraj atomski ločljivosti; (ii) pridobitvijo novih strukturnih intermediatov, (iii) razkritjem kemijskega mehanizma spajanja, (iv) razjasnitvijo mehanizma prepoznavanja intronov na atomistični ravni, (v) racionalizacijo vpliva karcinogenih mutacij na strukturne in dinamične lastnosti SPL, (vi) razkritjem molekulske osnove za delovanje majhnih molekulskih SPL modulatorjev in napovedovanjem njihovih učinkov na izoforme SPL. Za dosego omenjenih ciljev bom uporabil najsodobnejše metode molekulskih simulacij, od molekulskega sidranja do simulacij klasične molekularne dinamike in simulacij kvantnoklasične (QM/MM) dinamike v kombinaciji z naprednimi metodami vzorčenja. Mehanistične napovedi, pridobljene z molekulskimi simulacijami, bodo potrjene z eksperimentalnimi študijami (vezavni testi in mutacijske študije).

To pridobljeno znanje bo navdihnilo bodoče biokemične, biofizikalne in genetske eksperimente, katerih cilj je razkriti temeljne lastnosti tega starodavnega regulatorja genskega izražanja. Poleg razumevanja strukturne in funkcijske biologije SPL, lahko moja študija tudi doprinese informacije, ki bodo lahko uporabne za nove biomedicinske strategije zdravljenja in ciljane terapije na osnovi RNA spajanja, s potencialnim vplivom tako na osnovne, kakor tudi uporabne znanosti.

 

2. Sodelujoče organizacije: -

3. Osnovni podatki glede financiranja

Projekt financira ARRS v okviru cenovne kategorije B za obdobje dveh  let v obsegu 1.700 letnimi urami.

 

4. Sestava projektne skupine s povezavami SICRIS

Na Kemijskem inštitutu v projektni skupini   sodelujejo:

35380    Dr. Borišek Jure

 

5. Faze projekta in njihova realizacija

I. Študij drugega koraka spajanja.

II. Preučevanje pred-katalitičnega kompleksa ‘Bact’ in dinamičnih lastnosti izoform, povezanih z več vrstami raka.

III. Preučevanje mehanizma vezave obstoječih in novih zaviralcev spajalnega telesca, ki delujejo na SF3b kompleks.

 

Realizacija (Julij 2021):

Projekt je potekal v skladu s predvidenim načrtom. Uspeli smo pojasniti dinamične lastnosti pred-katalitičnega kompleksa spajalnega telesca ‘Bact’ ter njegovih izoform, povezanih s krvnim rakom. Ovrednotili smo tudi mehanizem vezave obstoječih zaviralcev spajalnega telesca, ki delujejo na SF3b kompleks. Na atomističnem nivoju smo osvetlili drugi korak spajanja in ugotovili, da poteka preko asociativnega mehanizma z direktnim prenosom protona iz nukleofila na izstopajočo skupino preko cepitvenega fosfata. Povzeli smo tudi dosedanje študije molekulskih simulacij na spajalnem telescu v preglednem znanstvenem članku.

 

6. Bibliografske reference, ki izhajajo neposredno iz izvajanja projekta

1. BORIŠEK, Jure, SALTALAMACCHIA, Andrea, GALLÌ, Anna, PALERMO, Giulia, MOLTENI, Elisabetta, MALCOVATI, Luca, MAGISTRATO, Alessandra. Disclosing the impact of carcinogenic SF3b mutations on Pre-mRNA recognition via all-atom simulations. Biomolecules. 21 Oct. 2019, vol. 9, iss. 10, str. 1-18, ilustr. ISSN 2218-273X. www.mdpi.com/2218-273X/9/10/633, DOI: 10.3390/biom9100633. [COBISS.SI-ID 40252677]

2. BORIŠEK, Jure, SALTALAMACCHIA, Andrea, SPINELLO, Angelo, MAGISTRATO, Alessandra. Exploiting cryo-EM structural information and all-atom simulations to decrypt the molecular mechanism of splicing modulator. Journal of chemical information and modeling. [Print ed.]. 2019, vol. , iss. , str. a-l, ilustr. ISSN 1549-9596. pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jcim.9b006

3. BORIŠEK, Jure, MAGISTRATO, Alessandra. All-atom simulations decrypt the molecular terms of RNA catalysis in the exon-ligation step of the spliceosome. ACS catalysis. 1 May 2020, vol. 10, iss. 9, str. 5328-5334, ilustr. ISSN 2155-5435. pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscatal.0c00390, DOI: 10.1021/acscatal.0c00390. [COBISS.SI-ID 6813210].

4. BORIŠEK, Jure, CASALINO, Lorenzo, SALTALAMACCHIA, Andrea, MAYS, Suzanne G., MALCOVATI, Luca, MAGISTRATO, Alessandra. Atomic-level mechanism of pre-mRNA splicing in health and disease. Accounts of chemical research. [Print ed.]. 5 Jan. 2021, vol. 54, iss. 1, str. 144-154. ISSN 0001-4842. pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.0c00578, DOI: 10.1021/acs.accounts.0c00578. [COBISS.SI-ID 43028739]

Za slepe in slabovidne(CTRL+F2)
barva kontrasta
velikost besedila
označitev vsebine
povečava