DNAzyme-based Colorimetric Sensing of Lead (Pb2+) Using Unmodified Gold Nanoparticle Probes

Novel functional oligonucleotides, especially DNAzymes with RNA-cleavage activity, have been intensively studied due to their potential applications in therapeutics and sensors. Taking advantage of the high specificity of 17E DNAzyme for Pb2+, highly sensitive and selective fluorescent, electrochemical and colorimetric sensors have been developed for Pb2+. In this work, we report a simple, sensitive and label-free 17E DNAzyme-based sensor for Pb2+ detection using unmodified gold nanoparticles (GNPs) based on the fact that unfolded single-stranded DNA could be adsorbed on the citrate protected GNPs while double-stranded DNA could not. By our method the substrate cleavage by the 17E DNAzyme in the presence of Pb2+ could be monitored by color change of GNPs, thereby Pb2+ detection was realized.

Atomic force microscopic study of low temperature induced disassembly of RecA-dsDNA filaments

The assembly and disassembly of RecA-DNA nucleoprotein filaments on double-stranded DNA (dsDNA) or single-stranded DNA (ssDNA) are important steps for homologous recombination and DNA repair. The assembly and disassembly of the nucleoprotein filaments are sensitive to the reaction conditions. In this work, we investigated different morphologies of the formed nucleoprotein filaments at low temperature under different solution conditions by atomic force microscopy (AFM). We found that low temperature and long keeping time could induce the incomplete disassembly of the formed nucleoprotein filaments.

Colorimetric recognition of the coralyne-poly(dA) interaction using unmodified gold nanoparticle probes, and further detection of coralyne based upon this recognition system

Among the functional nucleic acids studied, adenine-rich nucleic acids have attracted attention due to their critical roles in many biological processes and self-assembly-based nanomaterials, especially deoxyribonucleic acids (abbreviated as poly(dA)). Therefore the ligands binding to poly(dA) might serve as potential therapeutic agents. Coralyne, a kind of planar alkaloid, has been firstly found that it could bind strongly to poly(dA). This work herein reports an approach for visual sensing of the coralyne-poly(dA) interaction. This method was based on the coralyne inducing poly(dA) into the homo-adenine DNA duplex and the difference in electrostatic affinity between single-stranded DNA and double-stranded DNA with gold nanoparticles (GNPs). Furthermore, we applied the recognition process of the interaction between coralyne and poly(dA) into specific coralyne detection with the assistance of certain software (such as Photoshop). A linear response from 0 to 728 nM was obtained for coralyne, and a detection limit of 91 nM was achieved.

PolydA and polyrA self-structured by a europium and amino acid complex

Different DNA selectivity was found for the newly synthesized europium-L-valine complex. Unexpected DNA and RNA selection results showed that europium-L-valine complex can cause single-stranded polydA and polyrA to self-structure. The sigmoidal melting curve profiles indicate the transition is cooperative, similar to the cooperative melting of a duplex DNA. This is different from another europium amino acid complex, europium-L-aspartic acid complex which can induce B-Z transition under the low salt condition. To our knowledge, there is no report to show that a metal-amino acid complex can cause the self-structuring of single-stranded DNA and RNA.

Self-assembled monolayer of ssDNA on Au(111) substrate

Self-assembled monolayer of natural single-stranded DNA (ssDNA) from dl:natured plasmid DNA and pBR322/PstI marker was first observed on Au(111) by low-current STM (Lc-STM). The width of ssDNA stripe measured is 0.9 +/- 0.1 nm, which is just half of the theoretical width of double-stranded DNA (dsDNA). Each ssDNA stripe consists of bright and dark parts. alternatively; the period of two adjacent bright parts in the same ssDNA stripe measured is 0.4 +/- 0.1 nm, which is consistent with the theoretical distance between two adjacent base pairs in ssDNA. The stripe orientations in ssDNA domains are predominately at angles of 0 degrees, 60 degrees or 120 degrees relative to crystallographically faceted steps on the gold surface. The electrochemical experiment indicated that it was ssDNA but not dsDNA that was absorbed on Au(111)surface. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Distinct functions of POT1 at telomeres.

The mammalian protein POT1 binds to telomeric single-stranded DNA (ssDNA), protecting chromosome ends from being detected as sites of DNA damage. POT1 is composed of an N-terminal ssDNA-binding domain and a C-terminal protein interaction domain. With regard to the latter, POT1 heterodimerizes with the protein TPP1 to foster binding to telomeric ssDNA in vitro and binds the telomeric double-stranded-DNA-binding protein TRF2. We sought to determine which of these functions-ssDNA, TPP1, or TRF2 binding-was required to protect chromosome ends from being detected as DNA damage. Using separation-of-function POT1 mutants deficient in one of these three activities, we found that binding to TRF2 is dispensable for protecting telomeres but fosters robust loading of POT1 onto telomeric chromatin. Furthermore, we found that the telomeric ssDNA-binding activity and binding to TPP1 are required in cis for POT1 to protect telomeres. Mechanistically, binding of POT1 to telomeric ssDNA and association with TPP1 inhibit the localization of RPA, which can function as a DNA damage sensor, to telomeres.

Microbial inactivation of Pseudomonas putida and Pichia pastoris using gene silencing.

Antisense deoxyoligonucleotide (ASO) gene silencing was investigated as a potential disinfection tool for industrial and drinking water treatment application. ASOs bind with their reverse complementary mRNA transcripts thereby blocking protein translation. While ASO silencing has mainly been studied in medicine, it may be useful for modulating gene expression and inactivating microorganisms in environmental applications. In this proof of concept work, gene targets were sh ble (zeocin resistance) and todE (catechol-2,3-dioxygenase) in Pichia pastoris and npt (kanamycin resistance) in Pseudomonas putida. A maximum 0.5-fold decrease in P. pastoris cell numbers was obtained following a 120 min incubation with single-stranded DNA (ssDNA) concentrations ranging from 0.2 to 200 nM as compared to the no ssDNA control. In P. putida, a maximum 5.2-fold decrease was obtained after 90 min with 400 nM ssDNA. While the silencing efficiencies varied for the 25 targets tested, these results suggest that protein activity as well as microbial growth can be altered using ASO gene silencing-based tools. If successful, this technology has the potential to eliminate some of the environmental and health issues associated with the use of strong chemical biocides. However, prior to its dissemination, more research is needed to increase silencing efficiency and develop effective delivery methods.

A molecular model for drug binding to tandem repeats of telomeric G-quadruplexes.

The extreme 3'-ends of human telomeres consist of 150–250 nucleotides of single-stranded DNA sequence together with associated proteins. Small-molecule ligands can compete with these proteins and induce a conformational change in the DNA to a four-stranded quadruplex arrangement, which is also no longer a substrate for the telomerase enzyme. The modified telomere ends provide signals to the DNA-damage-response system and trigger senescence and apoptosis. Experimental structural data are available on such quadruplex complexes comprising up to four telomeric DNA repeats, but not on longer systems that are more directly relevant to the single-stranded overhang in human cells. The present paper reports on a molecular modelling study that uses Molecular Dynamics simulation methods to build dimer and tetramer quadruplex repeats. These incorporate ligand-binding sites and are models for overhang–ligand complexes.

Molecular dynamics and principal components analysis of human telomeric quadruplex multimers.

Guanine-rich DNA repeat sequences located at the terminal ends of chromosomal DNA can fold in a sequence-dependent manner into G-quadruplex structures, notably the terminal 150–200 nucleotides at the 3' end, which occur as a single-stranded DNA overhang. The crystal structures of quadruplexes with two and four human telomeric repeats show an all-parallel-stranded topology that is readily capable of forming extended stacks of such quadruplex structures, with external TTA loops positioned to potentially interact with other macromolecules. This study reports on possible arrangements for these quadruplex dimers and tetramers, which can be formed from 8 or 16 telomeric DNA repeats, and on a methodology for modeling their interactions with small molecules. A series of computational methods including molecular dynamics, free energy calculations, and principal components analysis have been used to characterize the properties of these higher-order G-quadruplex dimers and tetramers with parallel-stranded topology. The results confirm the stability of the central G-tetrads, the individual quadruplexes, and the resulting multimers. Principal components analysis has been carried out to highlight the dominant motions in these G-quadruplex dimer and multimer structures. The TTA loop is the most flexible part of the model and the overall multimer quadruplex becoming more stable with the addition of further G-tetrads. The addition of a ligand to the model confirms the hypothesis that flat planar chromophores stabilize G-quadruplex structures by making them less flexible.

Functional and structural basis for a bacteriophage homolog of human RAD52.

In eukaryotes, homologous recombination proteins such as RAD51 and RAD52 play crucial roles in DNA repair and genome stability. Human RAD52 is a member of a large single-strand annealing protein (SSAP) family [1] and stimulates Rad51-dependent recombination [2, 3]. In prokaryotes and phages, it has been difficult to establish the presence of RAD52 homologs with conserved sequences. Putative SSAPs were recently found in several phages that infect strains of Lactococcus lactis[4]. One of these SSAPs was identified as Sak and was found in the virulent L. lactis phage ul36, which belongs to the Siphoviridae family [4, 5]. In this study, we show that Sak is homologous to the N terminus of human RAD52. Purified Sak binds single-stranded DNA (ssDNA) preferentially over double-stranded DNA (dsDNA) and promotes the renaturation of long complementary ssDNAs. Sak also binds RecA and stimulates homologous recombination reactions. Mutations shown to modulate RAD52 DNA binding [6] affect Sak similarly. Remarkably, electron-microscopic reconstruction of Sak reveals an undecameric (11) subunit ring, similar to the crystal structure of the N-terminal fragment of human RAD52 [7, 8]. For the first time, we propose a viral homolog of RAD52 at the amino acid, phylogenic, functional, and structural levels.

Un rôle pour les protéines de la famille Whirly dans le maintien de la stabilité du génome des organelles chez Arabidopsis thaliana

Le maintien de la stabilité du génome est essentiel pour la propagation de l’information génétique et pour la croissance et la survie des cellules. Tous les organismes possèdent des systèmes de prévention des dommages et des réarrangements de l’ADN et nos connaissances sur ces processus découlent principalement de l’étude des génomes bactériens et nucléaires. Comparativement peu de choses sont connues sur les systèmes de protection des génomes d’organelles. Cette étude révèle l’importance des protéines liant l’ADN simple-brin de la famille Whirly dans le maintien de la stabilité du génome des organelles de plantes. Nous rapportons que les Whirlies sont requis pour la stabilité du génome plastidique chez Arabidopsis thaliana et Zea mays. L’absence des Whirlies plastidiques favorise une accumulation de molécules rearrangées produites par recombinaison non-homologue médiée par des régions de microhomologie. Ce mécanisme est similaire au “microhomology-mediated break-induced replication” (MMBIR) retrouvé chez les bactéries, la levure et l’humain. Nous montrons également que les organelles de plantes peuvent réparer les bris double-brin en utilisant une voie semblable au MMBIR. La délétion de différents membres de la famille Whirly entraîne une accumulation importante de réarrangements dans le génome des organelles suite à l’induction de bris double-brin. Ces résultats indiquent que les Whirlies sont aussi importants pour la réparation fidèle des génomes d’organelles. En se basant sur des données biologiques et structurales, nous proposons un modèle où les Whirlies modulent la disponibilité de l’ADN simple-brin, régulant ainsi le choix des voies de réparation et permettant le maintien de la stabilité du génome des organelles. Les divers aspects de ce modèle seront testés au cours d’expériences futures ce qui mènera à une meilleure compréhension du maintien de la stabilité du génome des organelles.

Étude structurale du mode de liaison des protéines Whirly de plantes à l’ADN monocaténaire

Les plantes doivent assurer la protection de trois génomes localisés dans le noyau, les chloroplastes et les mitochondries. Si les mécanismes assurant la réparation de l’ADN nucléaire sont relativement bien compris, il n’en va pas de même pour celui des chloroplastes et des mitochondries. Or il est important de bien comprendre ces mécanismes puisque des dommages à l’ADN non ou mal réparés peuvent entraîner des réarrangements dans les génomes. Chez les plantes, de tels réarrangements dans l’ADN mitochondrial ou dans l’ADN chloroplastique peuvent conduire à une perte de vigueur ou à un ralentissement de la croissance. Récemment, notre laboratoire a identifié une famille de protéines, les Whirly, dont les membres se localisent au niveau des mitochondries et des chloroplastes. Ces protéines forment des tétramères qui lient l’ADN monocaténaire et qui accomplissent de nombreuses fonctions associées au métabolisme de l’ADN. Chez Arabidopsis, deux de ces protéines ont été associées au maintien de la stabilité du génome du chloroplaste. On ignore cependant si ces protéines sont impliquées dans la réparation de l’ADN. Notre étude chez Arabidopsis démontre que des cassures bicaténaires de l’ADN sont prises en charge dans les mitochondries et les chloroplastes par une voie de réparation dépendant de très courtes séquences répétées (de cinq à cinquante paires de bases) d’ADN. Nous avons également montré que les protéines Whirly modulent cette voie de réparation. Plus précisément, leur rôle serait de promouvoir une réparation fidèle de l’ADN en empêchant la formation de réarrangements dans les génomes de ces organites. Pour comprendre comment les protéines Whirly sont impliquées dans ce processus, nous avons élucidé la structure cristalline d’un complexe Whirly-ADN. Nous avons ainsi pu montrer que les Whirly lient et protègent l’ADN monocaténaire sans spécificité de séquence. La liaison de l’ADN s’effectue entre les feuillets β de sous-unités contiguës du tétramère. Cette configuration maintient l’ADN sous une forme monocaténaire et empêche son appariement avec des acides nucléiques de séquence complémentaire. Ainsi, les protéines Whirly peuvent empêcher la formation de réarrangements et favoriser une réparation fidèle de l’ADN. Nous avons également montré que, lors de la liaison de très longues séquences d’ADN, les protéines Whirly peuvent s’agencer en superstructures d’hexamères de tétramères, formant ainsi des particules sphériques de douze nanomètres de diamètre. En particulier, nous avons pu démontrer l’importance d’un résidu lysine conservé chez les Whirly de plantes dans le maintien de la stabilité de ces superstructures, dans la liaison coopérative de l’ADN, ainsi que dans la réparation de l’ADN chez Arabidopsis. Globalement, notre étude amène de nouvelles connaissances quant aux mécanismes de réparation de l’ADN dans les organites de plantes ainsi que le rôle des protéines Whirly dans ce processus.

Caractérisation biochimique du complexe Smc5-6

Les membres de la famille SMC (Structural Maintenance of Chromosomes), présents dans tous les domaines de la vie, sont impliqués dans des processus allant de la cohésion des chromatides-sœurs jusqu’à la réparation de l’ADN. Chacun des membres de cette famille, composée de 6 membres (Smc1 à Smc6), s’associe avec un autre membre ainsi qu’à des sous-unités non-SMC pour former 3 complexes : cohésine, condensine et Smc5-6. L’implication du complexe Smc5-6 dans plusieurs aspects du maintien de l’intégrité génomique est bien démontrée. Néanmoins, une question fondamentale concernant ce complexe demeure encore sans réponse: comment peut-il être impliqué dans autant d’aspects de la vie d’une cellule? Encore à ce jour, il est difficile de répondre à cette question en raison du manque d’information disponible au sujet des activités biochimiques de ce complexe. C’est pourquoi l’objectif de ce travail consiste en la caractérisation biochimique du complexe Smc5-6. La biochimie de cohésine et condensine suggère diverses possibilités en ce qui a trait aux activités biochimiques du complexe Smc5-6. La première étape de mon projet fut donc d’élaborer une procédure pour la purification de Smc5 et Smc6 après surexpression en levure. Après plusieurs expériences, il apparut clair que les deux protéines possèdent une activité de liaison à l’ADN simple brin (ADNsb) ainsi qu’à l’ADN double brins (ADNdb) et que, même si les protéines peuvent se lier aux deux types d’ADN, elles possèdent une plus grande affinité pour l’ADNsb. De plus, ces expériences permirent de démontrer que l’interaction entre Smc5 ou Smc6 et l’ADNsb est très stable, alors que l’interaction avec l’ADNdb ne l’est pas. Suite à l’obtention de ces résultats, la seconde étape fut la détermination de la ou des partie(s) de Smc5 et Smc6 permettant la liaison à l’ADN. Pour répondre à cette question, une dissection moléculaire fut réalisée, suivi d’une caractérisation des différents domaines constituants Smc5 et Smc6. De cette façon, il fut possible de démontrer qu’il existe deux sites de liaison à l’ADN sur Smc5 et Smc6 ; le premier site se trouvant dans le domaine «hinge» ainsi que dans la région adjacente du domaine «coiled-coil» et le second au niveau de la tête ATPase des deux protéines. Bien que les deux domaines puissent lier l’ADNsb, il fut démontré qu’une différence majeure existe au niveau de leur affinité pour ce type d’ADN. En effet, le domaine «hinge» possède une affinité plus forte pour l’ADNsb que la tête ATPase. De plus, cette dernière est incapable de lier l’ADNdb alors que le domaine «hinge» le peut. L’identification des sites de liaison à l’ADN sur Smc5 et Smc6 permettra de créer de nouveaux mutants possédant un défaut dans la liaison à l’ADN. Ainsi, l’étude du complexe Smc5-6 durant la réparation de l’ADN in vivo sera facilité.

Le maintien de la stabilité génomique du plastide : un petit génome d’une grande importance

Chez les plantes, le génome plastidique est continuellement exposé à divers stress mutagènes, tels l’oxydation des bases et le blocage des fourches de réplication. Étonnamment, malgré ces menaces, le génome du plastide est reconnu pour être très stable, sa stabilité dépassant même celle du génome nucléaire. Néanmoins, les mécanismes de réparation de l’ADN et du maintien de la stabilité du génome plastidique sont encore peu connus. Afin de mieux comprendre ces processus, nous avons développé une approche, basée sur l’emploi de la ciprofloxacine, qui nous permet d’induire des bris d’ADN double-brins (DSBs) spécifiquement dans le génome des organelles. En criblant, à l’aide de ce composé, une collection de mutants d’Arabidopsis thaliana déficients pour des protéines du nucléoïde du plastide, nous avons identifié 16 gènes vraisemblablement impliqués dans le maintien de la stabilité génomique de cette organelle. Parmi ces gènes, ceux de la famille Whirly jouent un rôle primordial dans la protection du génome plastidique face aux réarrangements dépendants de séquences de microhomologie. Deux autres familles de gènes codant pour des protéines plastidiques, soit celle des polymérases de types-I et celle des recombinases, semblent davantage impliquées dans les mécanismes conservateurs de réparation des DSBs. Les relations épistatiques entre ces gènes et ceux des Whirly ont permis de définir les bases moléculaires des mécanismes de la réparation dépendante de microhomologies (MHMR) dans le plastide. Nous proposons également que ce type de mécanismes servirait en quelque sorte de roue de secours pour les mécanismes conservateurs de réparation. Finalement, un criblage non-biaisé, utilisant une collection de plus de 50,000 lignées mutantes d’Arabidopsis, a été réalisé. Ce criblage a permis d’établir un lien entre la stabilité génomique et le métabolisme des espèces réactives oxygénées (ROS). En effet, la plupart des gènes identifiés lors de ce criblage sont impliqués dans la photosynthèse et la détoxification des ROS. Globalement, notre étude a permis d’élargir notre compréhension des mécanismes du maintien de la stabilité génomique dans le plastide et de mieux comprendre l’importance de ces processus.