Strukturaufklärung gehört zu den wichtigsten Gebieten der Grundlagenforschung, da sie direkte Einblicke in biologische Systeme und ihre Mechanismen liefert. Der NMR Spektroskopie kommt dabei eine besondere Bedeutung zu, denn sie ermöglicht Forschung unter physiologischen Bedingungen. Dementsprechend ist die Entwicklung neuer Techniken zur Verbesserung dieser Methode weiterhin ein zentrales Forschungsgebiet. Paramagnetische Markierung von Biomolekülen ermöglicht die Bestimmung von NMR Parametern, wie z.B. residuale dipolare Restkopplungen (RDCs) oder Pseudokontaktverschiebungen (PCSs), die für die Strukturaufklärung wertvolle Winkel- und Abstandsinformationen über das Zielmolekül beinhalten. In diesem Zusammenhang wurden Lanthanoidionen-koordinierende Tags entwickelt und erfolgreich an Proteinen angebracht. Durch die paramagnetischen Eigenschaften der Lanthanoidionen wird eine partielle Ausrichtung des Zielmoleküls im Magnetfeld des NMR Spektrometers induziert und somit das Messen residualer dipolarer Kopplungen ermöglicht. Zusätzlich werden die NMR Signale durch eine Dipol-Dipol-Wechselwirkung zwischen dem Lanthanoidion und den Kernen verschoben (PCS). In der konventionellen NMR Spektroskopie werden diese Effekte, aufgrund der Brownschen Molekularbewegung und dem Fehlen eines Metallions, nicht beobachtet. In der Fachliteratur ist ein Transfer dieser Methode auf Oligonukleotide nicht bekannt, obwohl DNA und RNA zu den wichtigsten Biomolekülen überhaupt zählen. In dieser Arbeit wurde mit Hilfe des kürzlich entwickelten Cys-Ph-TAHA Tags ein Protokoll zur Bestimmung von paramagnetischen Effekten in der DNA entwickelt. Dafür wurde eine modifizierte Nukleobase synthetisiert, die eine passende Bindungsstelle für den Tag aufweist. Mit der neu entwickelten Methode wurden zwei paramagnetische und eine diamagnetische Referenzprobe hergestellt. Mittels hochauflösender NMR Spektroskopie konnten paramagnetisch-induzierte PCSs und RDCs gemessen werden. Die Auswertung zeigte eine hohe Qualität der gemessenen PCSs in beiden paramagnetischen Proben. Die RDCs wiesen einen signifikanten Fehler auf. Die in der NMR Spektroskopie übliche Isotopenmarkierung (13C/15N) ist bei im DNA-Synthesizer hergestellten Oligonukleotiden auf Grund der teuren Ausgangsmaterialien nicht möglich, sodass die hergestellten NMR Proben eine natürliche Isotopenhäufigkeit aufwiesen. In den NMR Spektren zur Bestimmung der RDCs ist damit das Verhältnis von Signal-zu-Rausch relativ niedrig, was zusammen mit der paramagnetischen Relaxationsverstärkung zu einem größeren Messfehler führt. Dennoch konnten die erhaltenen paramagnetischen Daten mit einem Ensemblemodell beschrieben werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die Methode der paramagnetischen Markierung erfolgreich auf die Stoffklasse der Oligonukleotide übertragen. Dabei wurde ein reproduzierbares Protokoll entwickelt, mit dem eine Bindungsstelle in einen DNA Strang eingebaut und das Zielmolekül anschließend mit dem Cys-Ph-TAHA Tag markiert wurde. Die erfolgreiche Anwendung der Methode konnte durch die erhaltenen paramagnetischen Messwerte von hoher Qualität verifiziert werden.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第23460号 / 理博第4754号 / 新制||理||1681(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科生物科学専攻 / (主査)教授 杤尾 豪人, 教授 森 和俊, 教授 望月 敦史 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

Understanding biological phenomena at atomic resolution is one of the keys to modern drug design. In particular, knowledge of 3D structures of proteins and their interactions with other macromolecules are necessary for designing chemical compounds that modify biological processes. Conventional methods for protein structure determinations comprise X-ray crystallography and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. These techniques can also determine the binding mode of chemical compounds. Either technique can be slow and costly, making it highly relevant to explore alternative strategies. Paramagnetic NMR spectroscopy is emerging as such an alternative technique. In order to measure the paramagnetic effects, two NMR spectra are compared that have been measured with and without a bound paramagnetic metal ion. In particular, pseudocontact shifts (PCS) of nuclear spins are easily measured as the difference (in ppm) of the chemical shifts between the two spectra. PCSs provide long range and orientation dependent restraints, allowing positioning of the spin with respect to the magnetic susceptibility tensor anisotropy (Δχ-tensor) of the metal ion. In this thesis, I used the PCS effect to computationally extract information from NMR spectra. I developed (i) a tool (called Possum) to automatically assign diamagnetic and paramagnetic spectra of the methyl groups of amino acid side chains, given structural information of the protein studied and prior knowledge of the Δχ-tensor; (ii) I designed a comprehensive software package (called Numbat) to extract Δχ-tensor parameters from assigned PCS values and the available 3D structure; and (iii) I incorporated PCS-based restraints into the protein structure prediction software CS-ROSETTA and demonstrated that this combination (PCS-ROSETTA) presents a significant improvement for de novo structure determination. The three projects serve different purposes at different stages of protein NMR studies. They could be combined in the following manner: Starting from assigned backbone PCSs, PCS-Rosetta could be used to determine the 3D structure of the protein. Possum can then be used to automatically assign the NMR resonances of the methyl groups using PCSs. Finally, Numbat can be used to fit improved Δχ-tensors to all the PCS data, analyze the quality of the Δχ-tensors and identify possible wrong assignments. Iterative repetition of this protocol would give a 3D structural model of the protein with a minimum of data. Alternatively, the Δχ-tensor parameters and PCSs could be used as input for a traditional software package such as Xplor-NIH to compute a 3D structure of the protein.

Understanding biological phenomena at atomic resolution is one of the keys to modern drug design. In particular, knowledge of 3D structures of proteins and their interactions with other macromolecules are necessary for designing chemical compounds that modify biological processes. Conventional methods for protein structure determinations comprise X-ray crystallography and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. These techniques can also determine the binding mode of chemical compounds. Either technique can be slow and costly, making it highly relevant to explore alternative strategies. Paramagnetic NMR spectroscopy is emerging as such an alternative technique. In order to measure the paramagnetic effects, two NMR spectra are compared that have been measured with and without a bound paramagnetic metal ion. In particular, pseudocontact shifts (PCS) of nuclear spins are easily measured as the difference (in ppm) of the chemical shifts between the two spectra. PCSs provide long range and orientation dependent restraints, allowing positioning of the spin with respect to the magnetic susceptibility tensor anisotropy (Δχ-tensor) of the metal ion. In this thesis, I used the PCS effect to computationally extract information from NMR spectra. I developed (i) a tool (called Possum) to automatically assign diamagnetic and paramagnetic spectra of the methyl groups of amino acid side chains, given structural information of the protein studied and prior knowledge of the Δχ-tensor; (ii) I designed a comprehensive software package (called Numbat) to extract Δχ-tensor parameters from assigned PCS values and the available 3D structure; and (iii) I incorporated PCS-based restraints into the protein structure prediction software CS-ROSETTA and demonstrated that this combination (PCS-ROSETTA) presents a significant improvement for de novo structure determination. The three projects serve different purposes at different stages of protein NMR studies. They could be combined in the following manner: Starting from assigned backbone PCSs, PCS-Rosetta could be used to determine the 3D structure of the protein. Possum can then be used to automatically assign the NMR resonances of the methyl groups using PCSs. Finally, Numbat can be used to fit improved Δχ-tensors to all the PCS data, analyze the quality of the Δχ-tensors and identify possible wrong assignments. Iterative repetition of this protocol would give a 3D structural model of the protein with a minimum of data. Alternatively, the Δχ-tensor parameters and PCSs could be used as input for a traditional software package such as Xplor-NIH to compute a 3D structure of the protein.

In der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) treten drei Effekte auf, die paramagnetische und diamagnetische Moleküle in isotroper Lösung unterscheiden: residuale dipolare Kopplung (RDC), Pseudokontaktverschiebung (PCS) und paramagnetische Relaxationsverstärkung (PRE). Alle drei Effekte sind abhängig von intermolekularen Winkeln und Abständen und können daher Informationen über die Struktur und Dynamik des Moleküls liefern. Um diese Informationen zu erhalten, muss das Molekül paramagnetische Eigenschaften aufweisen. Eine der heutzutage gebräuchlichen Methoden verwendet kleine molekulare Tags, die paramagnetische Metallionen koordinieren. Die meisten dieser Tags binden über eine Disulfidbrücke an Cysteine an der Proteinoberfläche. Um diese Methode für DNA anzuwenden werden daher neue Taggingstrategien benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine modifizierte Nukleobase synthetisiert, mit der ein Schwefelatom in die DNA eingebracht werden kann. Diese Methode erlaubt es, jeden Tag an die DNA zu binden, der als Verbindungsmethode eine Disulfidbrücke nutzt. Mit der Nukleobase wird eine Kohlenstoff-Dreifachbindung in die DNA eingefügt und mit Hilfe einer dipolaren Cycloaddition wird die freie Thiolgruppe eingebracht. Die modifizierte Nukleobase wurde erfolgreich an einem selbstkomplementären DNA-Strang (24 Nukleobasen) getestet. Die Nukleobase wurde während der Synthese der DNA eingefügt und der mit Lutetium, Terbium oder Thulium vorbeladene Cys-Ph-TAHA Tag wurde über eine Disulfidbrücke an die DNA gebunden. Die Beladung des Tags und die Taggingreaktion verliefen hierbei quantitativ. Nach diesem Erfolg war es ein Hauptaspekt dieser Arbeit, eine verlässliche und reproduzierbare Aufreinigungs- und Probenvorbereitungsmethode zu entwickeln. Diesem Punkt kommt besondere Bedeutung zu, da das Phosphatrückgrat der DNA, im Gegensatz zu Proteinen, Metallionen koordinieren kann. Im Theorieteil dieser Arbeit ist eine komplette Herleitung der drei Hauptmerkmale paramagnetischer NMR gegeben. Diese Herleitung beginnt bei Grundbegriffen des Magnetismus und neben den Gleichungen für RDCs, PCSs und PREs werden Ausdrücke für den dipolaren Hamiltonoperator, Kreuzrelaxationsraten, kreuzkorrelierte Relaxationsraten, durch Alignment induzierte RDCs, Korrelationsfunktionen und spektrale Dichten gegeben. Das zweite Thema dieser Arbeit basiert auf einem weiteren paramagnetischen Effekt. Um der reduzierten Empfindlichkeit der Kernspinresonanzspektroskopie verglichen mit anderen Spektroskopiemethoden entgegenzuwirken, wurden viele Methoden entwickelt, die auf eine Erhöhung der Polarisierung der Atomkerne zielen, d.h. um sogenannte hyperpolarisierte Kerne zu erzeugen. Eine dieser Methoden, die photochemisch erzeugte dynamische Kernpolarisierung (photo CIDNP), basiert auf kurzlebigen Radikalen, die durch direkte Laserbestrahlung der Probe im Magneten erzeugt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein photo CIDNP Aufbau entworfen, gebaut und getestet. Die ersten Experimente und Resultate mit Triethylendiamin, L-Tyrosin und 3-Fluor-L-tyrosin zeigen die Vorteile und Grenzen dieser Methode auf. Für 3-Fluor-L-tyrosin wurde eine komplette Analyse des Relaxationsverhaltens, einschließlich der Kreuzrelaxation und der kreuzkorrelierten Relaxation, durchgeführt.

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