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Metal ion binding to group II intron ribozymes : a study from bulk to the single molecule level


Steiner, Miriam. Metal ion binding to group II intron ribozymes : a study from bulk to the single molecule level. 2008, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

This work combines three approaches to study metal ion interactions with ribonucleic acid (RNA). The model systems used are large catalytic RNAs known as group II intron ribozymes. First, metal ion binding sites were located on the ribozyme sequence Av.D135 using the Tb3+-cleavage technique and the results were compared to an analogous study on the ribozyme Sc.D135. Second, the influence of binding of several metal ions on the local bulge structure of domain 5 (D5, a ribozyme subelement) was studied. The D5 bulge becomes unstacked upon binding of all divalent metal ions tested as indicated by the increasing fluorescence of the 2-aminopurine reporter group located in the bulge. The last section - the highlight in this work - describes a colorful fluorescence study of the structure and dynamics of the multidomain molecules Sc.D135 at the single molecule fluorescence level. The riboyzmes show three individual conformational states along the folding pathway that are in dynamic equilibrium connected by small energy barriers. With increasing Mg2+ concentrations, the molecule's dynamics increase, enabling the ribozyme to reach the active state. The results permit the characterization of distinct effects of individual metal ions on RNA and imply a new paradigm for large RNA folding.


Diese Arbeit beschreibt drei Ansätze zur Untersuchung des Zusammenspiels von Metallionen und Ribonukleinsäure (deutsch: RNS, englisch: RNA). Die hierbei verwendeten Modellsysteme sind grosse katalytische RNAs bekannt unter dem Namen Group II Intron Ribozyme. Zuerst wurden mit der Tb3+-Spalttechnik die Stellen in der Ribozymsequenz von Av.D135 bestimmt, die Metallionen an sich binden. Die Resultate wurden mit einer analogen Studie am Ribozym Sc.D135 verglichen. Danach wurde der Einfluss der Bindung verschiedener Metallionen auf die lokale Struktur der Domäne 5 (D5, ein kleines Teilstück aus dem Ribozym) analysiert. Durch die Bindung von divalenten Kationen wird die D5 Bulge zunehmend entstapelt, wie durch die ansteigende Fluoreszenz der 2-Aminopurin Reportergruppe festgestellt werden konnte. Der letzte Abschnitt - das Highlight dieser Arbeit - ist eine farbenfrohe Fluoreszenz-Studie der Ribozymstruktur und -dynamik an einzelnen Sc.D135-Molekülen. Die Ribozyme zeigen drei verschiedene konformationelle Zustände während des Faltungsprozesses, welche im dynamischen Gleichgewicht und durch kleine Energiebarrieren verbunden sind. Ansteigende Mg2+ Konzentrationen bewirken eine Zunahme der Ribozymdynamik, wodurch die RNA-Moleküle den aktiven Zustand erreichen können. Die Ergebnisse zeigen die Einflüsse individueller Metallionen auf RNA und beschreiben einen neuen Faltungsmechanismus für grosse RNA Moleküle.

Abstract

This work combines three approaches to study metal ion interactions with ribonucleic acid (RNA). The model systems used are large catalytic RNAs known as group II intron ribozymes. First, metal ion binding sites were located on the ribozyme sequence Av.D135 using the Tb3+-cleavage technique and the results were compared to an analogous study on the ribozyme Sc.D135. Second, the influence of binding of several metal ions on the local bulge structure of domain 5 (D5, a ribozyme subelement) was studied. The D5 bulge becomes unstacked upon binding of all divalent metal ions tested as indicated by the increasing fluorescence of the 2-aminopurine reporter group located in the bulge. The last section - the highlight in this work - describes a colorful fluorescence study of the structure and dynamics of the multidomain molecules Sc.D135 at the single molecule fluorescence level. The riboyzmes show three individual conformational states along the folding pathway that are in dynamic equilibrium connected by small energy barriers. With increasing Mg2+ concentrations, the molecule's dynamics increase, enabling the ribozyme to reach the active state. The results permit the characterization of distinct effects of individual metal ions on RNA and imply a new paradigm for large RNA folding.


Diese Arbeit beschreibt drei Ansätze zur Untersuchung des Zusammenspiels von Metallionen und Ribonukleinsäure (deutsch: RNS, englisch: RNA). Die hierbei verwendeten Modellsysteme sind grosse katalytische RNAs bekannt unter dem Namen Group II Intron Ribozyme. Zuerst wurden mit der Tb3+-Spalttechnik die Stellen in der Ribozymsequenz von Av.D135 bestimmt, die Metallionen an sich binden. Die Resultate wurden mit einer analogen Studie am Ribozym Sc.D135 verglichen. Danach wurde der Einfluss der Bindung verschiedener Metallionen auf die lokale Struktur der Domäne 5 (D5, ein kleines Teilstück aus dem Ribozym) analysiert. Durch die Bindung von divalenten Kationen wird die D5 Bulge zunehmend entstapelt, wie durch die ansteigende Fluoreszenz der 2-Aminopurin Reportergruppe festgestellt werden konnte. Der letzte Abschnitt - das Highlight dieser Arbeit - ist eine farbenfrohe Fluoreszenz-Studie der Ribozymstruktur und -dynamik an einzelnen Sc.D135-Molekülen. Die Ribozyme zeigen drei verschiedene konformationelle Zustände während des Faltungsprozesses, welche im dynamischen Gleichgewicht und durch kleine Energiebarrieren verbunden sind. Ansteigende Mg2+ Konzentrationen bewirken eine Zunahme der Ribozymdynamik, wodurch die RNA-Moleküle den aktiven Zustand erreichen können. Die Ergebnisse zeigen die Einflüsse individueller Metallionen auf RNA und beschreiben einen neuen Faltungsmechanismus für grosse RNA Moleküle.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Sigel Roland K O, Rueda David S, Berke Heinz G
Communities & Collections:07 Faculty of Science > Department of Chemistry
UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:540 Chemistry
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2008
Deposited On:02 Mar 2009 12:04
Last Modified:24 Sep 2019 16:01
Number of Pages:168
OA Status:Green
Related URLs:https://www.recherche-portal.ch/primo-explore/fulldisplay?docid=ebi01_prod005656385&context=L&vid=ZAD&search_scope=default_scope&tab=default_tab&lang=de_DE (Library Catalogue)

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