Intracellular dinucleoside polyphosphates and methods of their detection

• Název práce v češtině: Intracelulární dinukleosid polyfosfáty a metody jejich detekce
• Název v anglickém jazyce: Intracellular dinucleoside polyphosphates and methods of their detection
• Klíčová slova: dinukleosid polyfosfáty, RNA čepičky, buněčný stress, LC-MS detekce a kvantifikace
• Klíčová slova anglicky: dinucleoside polyphosphates, RNA caps, cellular stress, LC-MS detection and quantification
• Akademický rok vypsání: 2021/2022
• Typ práce: bakalářská práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Katedra buněčné biologie (31-151)
• Vedoucí / školitel: Ing. Hana Macíčková Cahová, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno vedoucím/školitelem, čeká na schválení garantem
• Datum přihlášení: 01.12.2021
• Datum zadání: 01.12.2021
• Datum odevzdání elektronické podoby: 01.05.2022
• Datum proběhlé obhajoby: 26.05.2022
• Oponenti: RNDr. Hana Šanderová, Ph.D.

Seznam odborné literatury

1 Hudeček, O. et al. Dinucleoside polyphosphates act as 5′-RNA caps in bacteria. Nature Communications11, 1052, doi:10.1038/s41467-020-14896-8 (2020).
2 McLennan, A. G. Ap4a and Other Dinucleoside Polyphosphates. (Taylor & Francis, 1992).
3 Zamecnik, P. G., Stephenson, M. L., Janeway, C. M. & Randerath, K. Enzymatic synthesis of diadenosine tetraphosphate and diadenosine triphosphate with a purified lysyl-sRNA synthetase. Biochemical and Biophysical Research Communications24, 91-97, doi:https://doi.org/10.1016/0006-291X(66)90415-3 (1966).
4 Marriott, A. S. et al. Diadenosine 5′, 5′′′-P1,P4-tetraphosphate (Ap4A) is synthesized in response to DNA damage and inhibits the initiation of DNA replication. DNA Repair33, 90-100, doi:https://doi.org/10.1016/j.dnarep.2015.06.008 (2015).
5 McLennan, A. G. Dinucleoside polyphosphates—friend or foe? Pharmacology & Therapeutics87, 73-89, doi:https://doi.org/10.1016/S0163-7258(00)00041-3 (2000).
6 Despotović, D. et al. Diadenosine tetraphosphate (Ap4A) – an E. coli alarmone or a damage metabolite? The FEBS Journal284, 2194-2215, doi:10.1111/febs.14113 (2017).
7 Krüger, L. et al. Chemical proteomic profiling reveals protein interactors of the alarmones diadenosine triphosphate and tetraphosphate. Nature Communications12, 5808, doi:10.1038/s41467-021-26075-4 (2021).
8 Benoni, R., Culka, M., Hudeček, O., Gahurova, L. & Cahová, H. Dinucleoside Polyphosphates as RNA Building Blocks with Pairing Ability in Transcription Initiation. ACS Chemical Biology15, 1765-1772, doi:10.1021/acschembio.0c00178 (2020).

Předběžná náplň práce

Naše skupina nedávno objevila novou třídu RNA čepiček v bakteriích – dinukleosid polyfosfáty.¹ Tyto molekuly byly ve své volné formě objevené už před více než padesáti lety ve všech typech buněk.^2,3 Velmi často se jim říká alarmony,^4-7 protože jejich koncentrace v buňkách narůstá za stresu (oxidativní stres, vysoká teplota, nedostatek živin atd.). Jak z jejich pojmenování plyne, představují jakousi formu alarmu, který byl měl buňky upozornit na stres případně pomoci ho zvládnout. Nicméně, mechanismus jejich účinku tedy to, co je přijímačem tohoto alarmu je neznámé. Objev těchto molekul ve formě RNA čepiček by mohl vysvětlit mechanismus jejich účinku.
Celkově jsme identifikovali devět nových typů RNA čepiček, z nichž některé byly methylované. Nejpravděpodobnějším způsobem zabudování těchto molekul do RNA je jejich využití jako nekanonických iniciačních nukleotidů pomocí RNA polymerázy.⁸ Nicméně, ne všechny identifikované RNA čepičky jsou známé ve volné formě. Proto nelze vyloučit možnost čepičkování RNA pomocí doposud neznámého čepičkovacího proteinu.
V literatuře je popsáno velké množství metod detekce, charakterizace a kvantifikace volných dinukleosid polyfosfátů v různých typech buněk. Cílem této bakalářské práce je shrnutí poznatků o volných dinukleosid polyfosfátech ve všech typech buněk a jejich formách detekce a kvantifikace. Zároveň by student měl navrhnout novou obecnou metodu, která by byla použitelná pro charakterizaci a kvantifikaci těchto molekul ve volné formě ve všech typech buněk (od bakterií, přes kvasinkové kultury, rostlinné vzorky až k lidským tkáňovým kulturám).

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Recently, our group discovered entirely new class of RNA caps in bacteria – dinucleoside polyphosphates. ¹ These molecules were discovered in their free form in all types of cells more than fifty years ago. ^2,3 They are usually called alarmones, ^4-7 as their intracellular concentration increases under the stress (oxidative stress, heat shock, nutrition depletion etc.). They represent so called alarm that should warn cells or help them to tackle the stress. Nevertheless, the mechanisms of their action i.e. what recognizes and accepts the signal is unknown. Thus, the discovery of these molecules as covalent parts of RNA may find answer to this question.
In total, we identified nine new types of RNA caps. Some of them were methylated. The most probably, they are used as non-canonical initiating nucleotides by RNA polymerase during transcription.⁸ Nevertheless, not all identified dinucleoside polyphosphate RNA caps are known in their form. Thus, we cannot exclude a possibility of RNA capping by some unknown capping enzyme.
There are numerous methods of detection, characterization and quantification of free dinucleoside polyphosphates in various cells reported in literature. The main task of this Bc. Thesis is to summarize the current state of knowledge about free dinucleoside polyphosphates in all types of cells and about methods of their detection and quantification. Student should also suggest a new general method, which would be applicable for characterization and quantification of these molecules in their free form in all types of cells (e.g. bacteria, yeast, plants or human tissue cultures).