• No results found

IT TO FUNCTION AS A UNIVERSAL BASE

2.7 Results – Structure Calculations and Analysis

2.7.1 A1  Glycosidic  Bond  Angle  

The  intense  crosspeak  of  A1  H1’  to  H8  in  both  UB  and  control  oligonucleotides  indicates   the  presence  of  a  syn  population.    An  approximate  syn  population  of  <25%  was  calculated  from   the  observed  NOE  together  with  theoretical  syn  vs.  anti  H1’  to  H8  distances.    (Supplemental  In-­‐ formation  Figure  3  and  Calculation  1)    Because  this  anomaly  was  found  in  both  control  and  UB   sequences,  restraints  were  added  to  the  calculations  to  lock  the  A1  base  into  an  anti  conforma-­‐ tion  to  reflect  the  major  population.  

 

2.7.2 Structure  Calculation  

The  UB  containing  oligonucleotide  is  highly  restrained  containing  a  total  of  440  non-­‐RDC   restraints  and  47  RDC  giving  a  total  of  ~27  and  ~24  restraints  per  residue  for  the  NOESY  +  RDC   and  non-­‐RDC  structures  respectively.    (Table  2-­‐2)    Standard  deviations  of  mass  averaged   R.M.S.D.  values  over  the  entire  10  ns  restrained  MD  trajectories  are  0.25  and  0.12  Å  for  the   non-­‐RDC  and  NOESY  +  RDC  simulations  respectively.    The  average  heavy  atom  R.M.S.D.  for  the   final  bundle  of  structures  is  0.37  Å  for  both  the  NOESY  +  RDC  and  non-­‐RDC  structures.    (Figure   2-­‐4)    The  structure  with  the  lowest  AMBER  restraints  violations  was  chosen  as  the  final  struc-­‐

ture.    Interestingly,  CORMA  Rx  values  slightly  increased  upon  the  implementation  of  RDC  values,  

yet  both  UB  structures  are  still  in  excellent  agreement  with  NOESY  data  as  exhibited  with  total  

CORMA  RX  values  <  0.06.    Total  AMBER  RDC  violations  were  5.63  kcal  /  mol  for  all  restraints.    

structure  containing  only  RDC  restraints  was  calculated.    This  structure  calculation  did  not  use   NOESY  distance  restraints,  base  pair  angle  restraint,  sugar  puckering  restraints,  or  backbone   torsion  angle  restraints.    Resulting  RDC  penalties  were  minimal  with  a  total  AMBER  violation  of   <  2  kcal  /  mol.  

The  control  structure  has  slightly  fewer  restraints  than  the  UB  structure;  it  shows  excel-­‐

lent  agreement  with  NOESY  data  with  total  CORMA  RX  values  of  0.051  and  0.050  for  the  NOESY  

and  NOESY  +  RDC  structures  respectively.    AMBER  RDC  violations  totaled  3.83  kcal  /  mol  for  all  

restraint.    Unlike  the  UB  structure,  RDC  implementation  did  not  drive  up  RX  values  establishing  

that  the  observed  increase  for  the  UB  structure  is  a  result  of  the  UB  modification.    An  RDC  only   structure  was  not  calculated  for  the  control.    (Table  2-­‐2)  

 

2.7.3 Structure  Analysis  

For  both  the  non-­‐RDC  and  NOESY  +  RDC  UB  structures,  all  bases  including  both  the  UB5   and  T14  bases  are  intrahelical  and  the  overall  global  geometry  is  B-­‐type.    (Figure  2-­‐5  A)    As  ex-­‐ pected  from  the  imino  proton  data,  the  UB5:T14  base  pair  does  not  form  a  hydrogen  bond  in-­‐ volving  the  T14  imino  proton.    Instead,  the  amino  group  of  UB5  is  hydrogen  bonded  to  T14  O4   carbonyl.  (Figure  2-­‐12)    This  orientation  of  the  UB5:T14  base  pair  is  accommodated  in  the  du-­‐

plex  via  backbone  perturbations,  primarily  the  torsion  angles  around  the  UB  (G4  ζ,  UB5  ζ,  G6  α,  

and  C16  α).    This  unusual  base  pairing  results  in  a  heightened  stretch  and  opening  helical  pa-­‐

rameters  (1  Å  and  27.8  °  respectively)  in  UB5:T14  base  pair  as  well  as  an  increase  of  1.8  Å  in  the   UB5:T14  anomeric  carbon  distance  as  compared  to  the  control  structure.    This  results  in  a  dis-­‐ placed  backbone,  distortions  in  the  helical  twist  (G4-­‐UB5  30.4°,  UB5-­‐G6  29.7°,  G6-­‐C7  41.2°),  

and  a  slight  bend  in  the  global  helical  axis  (total  axis  bend  of  19  vs.  4°  for  the  UB  and  control   respectively)  as  compared  to  the  control  structure.    (Figure  2-­‐5  B  and  C)    As  a  consequence  of  

the  under-­‐twisting  and  the  unique  N8  UB  base  connectivity,  the  local  stacking  of  G4-­‐UB5-­‐G6  is  

disrupted  with  G4  poorly  stacked  on  top  of  UB5.    (Figure  2-­‐6  A)    

For  completeness,  it  is  noted  that  the  T2-­‐G3  step  has  an  apparent  bend  in  both  the  UB   and  control  structures.    (Figure  2-­‐7A,  Supplemental  Information  Figure  4)    This  bend  is  primarily   generated  by  a  heightened  positive  roll  of  12.9°  in  the  T2-­‐G3  step.    The  James  group  found  simi-­‐ lar  results  for  T-­‐G  /  A-­‐C  steps  with  similarly  large  positive  rolls.  (59)    Intriguingly,  when  RDC  re-­‐ straints  were  incorporated,  the  T2-­‐G3  bend  was  removed  from  both  the  UB  and  control  struc-­‐ tures.  

 

2.7.4 RDC  Implementation  

Although  the  inclusion  of  RDC  restraints  with  NOESY  data  did  not  result  in  a  major  con-­‐ formational  change  for  the  core  sequence  of  the  UB  structure  (G4,  UB5,  G6,  C13,  T14,  C15  

heavy  atom  R.M.S.D.  of  0.63  Å)    (Figure  2-­‐7B),  the  slight  increase  in  total  CORMA  RX  values  for  

the  UB  structure  and  not  the  control  prompted  the  calculation  of  an  RDC  only  structure.    The   resulting  structure  is  similar  to  the  NOESY  +  RDC  results  except  for  the  UB5:T14  base  pair.    Here,   the  predicted  base  pair  includes  a  hydrogen  bond  between  the  T14  imino  proton  and  UB5  N1.     (Figure  2-­‐8  A,  B,  C)  

2.7.5 Supercooled  Aqueous  NMR  

Due  to  the  ambiguous  orientation  of  the  UB5-­‐T14  base  pair,  further  probing  of  the   imino  proton  spectra  was  conducted  via  supercooled  aqueous  NMR  utilizing  1  mm  capillaries.     When  temperatures  were  dropped  to  -­‐10  °C,  an  additional  imino  proton  peak  begins  to  emerge   at  14  ppm,  suggestive  of  the  formation  of  an  additional  A:T  base  pair.    A  NOESY  spectrum  at  -­‐12   °C  was  used  to  confirm  the  identity  as  T14  through  the  appearance  of  a  cross  peak  between  the   new  imino  proton  and  an  additional  methyl  resonance.    (Figure  2-­‐9)    All  observed  imino  proton   resonances  shifted  as  anticipated  with  decreasing  temperatures  indicating  that  an  overall   global  conformation  change  in  the  oligonucleotide  did  not  occur.  

 

Related documents