Structural Elucidation of Mrna(Sirt1)- Microrna 34A Complex
Total Page:16
File Type:pdf, Size:1020Kb
Structural elucidation of mRNA(Sirt1)- microRNA 34a complex Mona Farshchian Master thesis in Technology and learning, degree project for the study program Master of Science in Engineering and of Education, Stockholm 2015. Degree Project in Technology and Learning of 30 ECTS in the program Master of Science in Engineering and of Education, Degree Program in Mathematics and Chemical Science, Royal Institute of Technology, KTH, and Stockholm University, SU Mona Farshchian: Structural elucidation of mRNA(Sirt1)-microRNA 34a complex, Stockholm 2015 MAIN SUPERVISOR Peter Savolainen, Associate Professor, BIO, Kungliga Tekniska Högskolan SECONDARY SUPERVISOR Åsa Julin-Tegelman, Assistant Professor, Education, Stockholm University EXTERNAL SUPERVISOR Katja Petzold, Assistant Professor, Medical Biochemistry and Biophysics, Karolinska Institutet EXAMINER Joakim Lundeberg, Professor, BIO, Kungliga Tekniska Högskolan 2 Abstract The aim of this thesis is to understand RNA-RNA interactions steering cellular functions, as in the case of this thesis the structure of mRNA(Sirt1) in complex with microRNA-34a (miR-34a). MiR-34a regulates the cancer protein p53 via Sirt1 modulation. This work will be the basis for future drug design and the understanding of misguided regulation in cancer. The miR-34a binds to the mRNA(Sirt1) 3’ untranslated region (3’-UTR) and will either inhibit the translation of the protein Sirtuin 1 by capturing its mRNA or by degrading it. p53, a key activator of miR-34a, prevents cancer development by inducing programmed cell death (apoptosis) on cells with DNA damage. In contrast, the protein Sirtuin 1 (Sirt1) has been shown to help cells with DNA damage to survive by down regulating the activity of protein p53 and will therefore increase the risk of cancer development. Studying the interaction between the mRNA(Sirt1) and miR-34a can present valuable information on the structure of the complex as well as the mode miR-34a uses to inhibit translation of mRNA(Sirt1) leading to down regulation of protein Sirtuin 1 and therefore prevent cancer development. For the elucidation of this question different biochemical and biophysical methods were applied, such as in vitro transcription, gel electrophoresis, RNA purification with gel, crush & soak and Cicular Dichroism (CD) melting studies. For this thesis work, the target sequence in mRNA(Sirt1) was optimized and purified so melting studies could be carried out. For future structural characterization using Nuclear Magnetic Resonance (NMR) studies with the miR-34a also produced in the lab. The mRNA(Sirt1) target sequence was produced and purified with the final yield of 0.02%. The results show that the sequence is highly ATP dependent and suggest the ratio between the nucleotides ATP/CTP to be 1:2. Low yield of purified mRNA(Sirt1) was received and still contained some impurities, which imply that another method than crush & soak should be used when purifying. The results, indicate that High-Preformance Liquid Chromatography (HPLC) might be a better solution for the pufication process. The melting profiels done on mRNA(Sirt1) show that the secondary structures decrease with an increase in temperature. Accroding to the results, the mRNA(Sirt1) sequence is folded in room temperature, though not very stable. The wavelength which provided the best resolution was at 268 nm and the melting point of mRNA(Sirt1) was determined to 44 °C. This thesis also contains an educational part, where an educational material was provided and testing was conducted for the subject Chemistry 2 for students age 18 and the material was evaluated with qualitative methods together with pedagogical methods. The study showed that the student can develope the different abilities stated in the curriculum with the material created. The results also showed that the students preferably choose cultural arguments when dicussing socio scientific question, rather than economical, democratic or utility arguments. Keywords: mRNA(Sirt1), miR-34a, in vitro transcription, gel electrophoresis, CD spectroscopy, NMR, cancer regulation via p53, HPLC 3 Sammanfattning Syftet med studien är att förstå RNA-RNAinteraktioner som styr cellulära funktioner, i detta fall mRNA(Sirt1) i komplex med microRNA-34a (miR-34a). MiR-34a reglerar cancerproteinet p53 via modulation av Sirt1. Detta arbete kommer lägga grund för framtida läkemedelsdesign vid reglering av cancer. MiR-34a binder till den 3’ otranslerade regionen i mRNA(Sirt1) och hämmar antingen translationen av protein Sirtuin 1 (Sirt1) genom att fånga dess mRNA eller genom att försämra det. p53 förhindrar utvecklingen av cancer genom att framkalla programmerad cell död (apoptosis) av celler med skadat DNA. Det har visats att proteinet Sirtuin 1 hjälper celler med skadat DNA att överleva, genom att sänka aktiviteten av p53. På så vis ökar risken för utveckling av cancer. Genom att studera interaktionen mellan mRNA(Sirt1) och miR-34a kan värdefull information kring komplexets struktur fås. Samt hur miR-34a hämmar translationen av mRNA(Sirt1), vilket leder till minskad aktivitet av protein Sirt1. För att klarlägga denna fråga har olika biokemiska och biofysiska metoder använts, såsom in vitro transkription, gelelektrofores, RNA rening med gel och Circular Dichroism (CD). För detta arbete har målsekvensen i mRNA(Sirt1) optimerats och renats så CD smältstudier med kunde genomföras. Resultatet visar att mRNA(Sirt1) sekvensen renats med ett utbyte på 0.02 %. Sekvensen är beroende av ATP och förhållandet mellan ATP/CTP nukleotider bör vara 1:2. Resutatet visar på ett lågt utbyte som visar på att High-Performance Liquid Chromatography (HPLC) kan vara en bättre metod än Crush & soak för reningen av mRNA(Sirt1). Ur de smältprofiler som gjorts visade det sig att de sekundära strukturerna av mRNA(Sirt1) minskade med ökande temperatur. I enlighet med resultaten visar det att mRNA(Sirt1) är veckat i rumstemperatur men är inte stabil. Den bästa upplösningen erhölls vid 268 nm och mRNA(Sirt1) har en smältpunkt runt 44 °C. Detta arbete innehåller även ett utbildningskapitel, där ett utbildningsmaterial har skapats och testats på 18-åriga kemi 2 studenter i åldern 18 år. Materialet har utvärderats med hjälp av kvalitativa metoder tillsammans med pedagogiska metoder. Studien visade att de flesta förmågorna för kemi 2 kan utvecklas med hjälp av denna typ samhällsfrågor i det naturvetenskapliga klassrummet (SNI-fall) förutom förmågan att planera och genomföra experiment. Det argument som eleverna helst väljer att använda då de diskuterar det skapade SNI-fallet är Kulturargument och det minst använda är Demikratiargument. Nyckelord: mRNA(Sirt1), miR-34a, in vitro transkription, gel elektroforesis, CD spektroskopi, NMR, cancer regulering via p53, HPLC 4 Acknowledgements I would like to start by thanking the Petzold lab for giving me the opportunity to write and complete my thesis. Special thanks to Katja Petzold and Lorenzo Baronti for their guidance and support throughout this project. I would also like to thank my family and my fiancé Peyman Eshtiagh for always supporting me and encouraging me towards my goals. I would also like to thank my KTH supervisor Peter Savolainen and SU supervisor Åsa Julin-Tegelman for all the support, along with everyone else who contributed to this thesis. 5 Abstract 3 Sammanfattning 4 Acknowledgements 5 1. INTRODUCTION 8 1.1 Introduction and background 8 1.2 Research questions addressed in Masters Thesis 9 1.3 Abbreviations and terms 10 1.6 LITERATURE STUDY 12 1.6.1 The human cell 12 1.6.2 The transfer of genetic information 13 1.6.3 The transcription reaction 14 1.6.4 Cancer 16 1.6.5 MicroRNA-mRNA interactions 16 1.6.6 MicroRNA 17 1.6.7 Sirt1-p53 regulation 18 1.6.8 Circular Dichroism 20 2. METHOD 21 2.1 Introduction 21 2.2 RNA by In Vitro Transcription 21 2.2.1 Annealing reaction 21 2.2.2 in vitro transcription by T7 - optimization 22 2.3 Polyacrylamide Gel Electrophoresis 25 2.3.1 Gel staining with Ethidium Bromide & UV detection 26 2.4 Large Scale Transcription reaction 26 2.5 mRNA(Sirt1) purification 27 2.6 Circular Dichroism UV melting studies 29 3. RESULTS & Discussion 31 3.1 Optimization of mRNA(Sirt1) 31 3.2 Large scale transcription reaction of mRNA(Sirt1) 35 3.2.1 Verifying with RNAse inhibitor and labeled nucleotides 35 3.2.2 Verifying with Pyruvate Phosphates and longer reaction time 36 3.2 Purification 36 3.4 CD melting studies of mRNA(Sirt1)-miR-34a complex 39 4. CONCLUSION 42 5. FURTHER RESEARCH 43 6 6. UTBILDNINGSKAPITEL 44 6.1 Inledning 44 6.2 Litteraturstudie 45 6.2.1 Forskning i klassrummet 45 6.2.2 Ämnesplaner skolverket 46 6.2.5 Samhällsfrågor med naturvetenskapligt innehåll 47 6.3 Syfte och frågeställning 47 6.4 Metod 48 6.4.1 Datainsamling 48 6.4.2 Urval och kvalitetsredovisning 48 6.5 Resultat 49 6.5.1 Förmågor som tränas med hjälp av SNI-fallet utifrån elevperspektiv 49 6.5.2 Förmågor som tränas med hjälp av SNI-fallet utifrån lärarperspektiv 50 6.5.3 Argument som elever använder i diskussion om frågan genmanipulation med hjälp av SNI-fallet 50 6.6 Analys & Diskussion 52 6.7 Slutsats 53 6.8 Vidare forskning 53 7. REFERENCE 54 7.1 Articles and books 54 7.4 Graphics 57 8. APPENDIX A - Lab protocol 58 9. APPENDIX B - Calculations 62 10. APPENDIX C - Educational material 65 Bilaga 1. Lärarhandledning 65 Bilaga 2 Enkätundersökning 70 Bilaga 3 Kvalitativ intervju 71 7 1. INTRODUCTION This part of the thesis explains the purpose and the background of the project, how it has been done and why the project has been carried out. 1.1 Introduction and background This project is a master thesis in the field of Technology and Learning for the program Master of Science in Engineering and of Education at the Royal Institute of Technology and at Stockholm University. The project is in cooperation with the Petzold group at the Molecular Structural Biology unit at the department of Medical Biochemistry and Biophysics at Karolinska Institute.