Fázové přechody peptid-RNA complexů

• Thesis title in Czech: Fázové přechody peptid-RNA complexů
• Thesis title in English: Peptide/RNA liquid-liquid phase separation in evolutionary context
• Key words: fázový přechod v kapalném skupenství|interakce peptid-RNA|peptidyltransferázové centrum
• English key words: liquid-liquid phase separation|peptide-RNA interaction|peptidyl-transferase centre
• Academic year of topic announcement: 2020/2021
• Thesis type: diploma thesis
• Thesis language: čeština
• Department: Institute of Physics of Charles University (32-FUUK)
• Supervisor: Mgr. Klára Hlouchová, Ph.D.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 02.07.2021
• Date of assignment: 20.09.2021
• Confirmed by Study dept. on: 12.01.2024
• Advisors: RNDr. Vladimír Kopecký, Ph.D.

Guidelines

1) Seznámit se s principy koacervace a fázových přechodů.
2) Vypracovat rešerši na téma studia fázových přechodů v kapalném skupenství a jeho významu v biologii. Též sepsat rešerši na fyzikální metody charakterizace tohoto fenoménu a o dřívějších studiích na příkladech RNA, proteinů a komplexů peptid–RNA.
3) Prakticky zvládnout měření pomocí biofyzikálních metod určených pro jejich charakterizaci (např. dynamický rozptyl světla, elektronový cirkulární dichroismus či vibrační spektroskopie).
5) Pokusit se získat srovnání tvorby kapalných kondenzátů pro komplexy ribosomálních peptidů s náhodnými krátkými sekvencemi RNA, s PTC rRNA komplexem a dále s fragmenty PTC rRNA.
6) Interpretovat tyto studie s důrazem na fyzikální vlastnosti těchto systémů.

References

[1] P. van der Gulik, S. Massar, D. Gilis, H. Buhrman, M. Rooman: The first peptides: the evolutionary transition between prebiotic amino acids and early proteins. Journal of Theoretical Biology 261 (2009) 531–539.
[2] P. Canavelli, S. Islam, M. W. Powner: Peptide ligation by chemoselective aminonitrile coupling in water. Nature 571 (2019) 546–549.
[3] A. I. Oparin: The origin of life on the earth. 3rd ed, Academic Press, New York 1957.
[4] C. P. Brangwynne, C. R. Eckmann, D. S. Courson, A. Rybarska, C. Hoege, et al.: Germline P granules are liquid droplets that localize by controlled dissolution/condensation. Science 324 (2009) 1729–1732.
[5] C. A. Strulson, R. C. Molden, C. D. Keating, P. C. Bevilacqua: RNA catalysis through compartmentalization. Nature Chemistry 4 (2012) 941–946.
[6] C. Hsiao, T. K. Lenz, J. K. Peters, P.-Y. Fang, D. M. Schneider, et al.: Molecular paleontology: a biochemical model of the ancestral ribosome. Nucleic Acids Research 41 (2013) 3373–3385.

Preliminary scope of work

Původ prvních biopolymerů a jejich fyzikální, chemické a biologické vlastnosti jsou zastřeny 4 miliardami let dlouhou evolucí života na Zemi. Prvotní sekvence těchto biopolymerů byly nejspíše velmi krátké, s limitovaným katalytickým potenciálem a zřejmě se koncentrovaly ve skrovném počtu prebioticky vhodných prostředí (1, 2). Akumulace prvotních sekvencí ve specifických kompartmentech (protobuňkách, z angl. protocells) je významným přechodem od prebiotických polymerů směrem k buněčné formě života. Existuje vícero mechanismů, jimiž mohla být tato akumulace zprostředkována, v této práci se budeme zabývat koacervací molekul ve formě kapalných kondensátů. Vznik koacervátů a fázových přechodů prvotních biopolymerů je již desítky let diskutovaným tématem ve vědecké komunitě, ovšem jejich fyziologický význam byl odhalen teprve nedávno (3, 4). Fázový přechod RNA v kapalném skupenství je mimořádně relevantním pochodem pro ranou evoluci života. V této souvislosti bylo v nedávné studii ukázáno, že fázový přechod těchto molekul zvyšuje katalytickou aktivitu jednoduchých ribozymů (5).

Tato práce se bude zabývat mechanismem vzniku kapalných kondenzátů z pohledu nejvýznamnější molekulární fosilie našeho života – ribozomu. Práce se zaměří na peptidyltransferázové centrum (PTC), podle dostupných studií evolučně nejstarší část ribozomu. PTC je složeno z částí ribozomálních RNA (rRNA) a fragmentů pěti proteinů (L2, L3, L4, L15 a L22). Interakce těchto molekul byla prokázána dřívější in vitro studií (6). Předběžné analýzy v naší laboratoři ukázaly, že peptidové fragmenty zmíněných ribozomálních proteinů mají tendenci tvořit kapalné kondenzáty v přítomnosti ssDNA sekvencí.

Náplní této práce bude podrobná studie tohoto fenoménu s ohledem na strukturní dynamiku molekul uvnitř a vně kapalných kondenzátů. Pro studium interakce bude využito náhodných ssDNA sekvencí jakožto sekvenčních aproximátorů RNA a jejích interakce s jedním vybraným peptidovým fragmentem. Předmětem experimentů budou především přechody sekundárních a terciárních struktur ribozomálních peptidů a ssDNA studované biofyzikálními metodami (např. dynamickým rozptylem světla, spektroskopií elektronového cirkulárního dichroismu či Ramanovou spektroskopií).

Preliminary scope of work in English

The emergence of the first biopolymers, their physical, chemical and biological properties are veiled by the 4 billion years of a constant tide of evolution. Early sequences were probably short, limited in their catalytic potential and concentrated in a few prebiotically plausible sites (1, 2). One of the first steps from prebiotic biopolymers to life as we know it is an accumulation of molecules into highly specific environments – protocells. These can be created in several ways, here we aim to focus on a mechanism known as coacervation. Coacervation of the earliest biomolecules into compact liquid droplets have been discussed in the scientific community for several decades (3). Yet, it has only recently been shown that the coacervation or phase separation of biopolymers is utilized natively and actively by nature (4). Furthermore, liquid-liquid phase separation (LLPS) of RNA was demonstrated to improve the catalytic activity of the ribozymes, foreshadowing the intriguing evolutionary scenario of ancient RNA coacervation (5).

Here we propose to test this scenario on an example of sequences derived from the most ancient molecular fossil on Earth – the ribosome. The project will focus on disordered peptide sequences from the ribosomal core (derived from ribosomal proteins L2, L3, L4, L15 and L22) and the functional RNA part of the ribosome, known as the peptidyl-transferase centre (PTC). These sequences were hypothesized to seed the evolution of the first ribosome and were shown to interact in vitro (6). Moreover, our preliminary results revealed that the ribosomal peptides have a natural tendency for LLPS with various ssDNA sequences.

We intend to test the liquid droplet formation of one selected ribosomal peptide with random ssDNA sequences (as proxies of RNA) and to study the droplet’s biological and biophysical properties. Droplets and their contents will be examined via a variety of biophysical methods such as dynamic light scattering, electronic circular dichroism or Raman spectroscopy.