Pyranosyl‐RNA (‘p‐RNA’): NMR and Molecular‐Dynamics Study of the Duplex Formed by Self‐pairing of Ribopyranosyl‐(C‐G‐A‐A‐T‐T‐C‐G)

Abstract

(1 7. X. 96) The solution structure of the duplex formed by self-pairing of the p-RNA octamer B-o-ribopyranosyl-(2' + 4)-(CGAATTCG) was studied by NMR techniques and, independently, by molecular-dynamics calculations. The resonances of all non-exchanging protons, H-bearing C-atoms, P-atoms, and of most NH protons were assigned. Dihedral angle and distance constraints derived from coupling constants and NOESY spectra are consistent with a single dominant conformer and corroborate the main structural features predicted by qualitative conformational analysis. The duplex displays Watson-Crick pairing with antiparallel strand orientation. The dihedral angles p and F in the phosphodiester linkages differ considerably from the idealized values. Model considerations indicate that these deviations from the idealized model allow better inter strand stacking and lessen unfavorable interactions in the backbone. The average base-pair axis forms an angle of cu. 40" with the backbone. The resulting inferstrand n-1~ stacking between either two purines, or a purine and a pyrimidine, but not between two pyrimidines, constitutes a characteristic structural feature of the p-RNA duplex. A 1000-ps molecular-dynamics (MD) calculation with the AMBER force field resulted in an average structure of the same conformation type as derived by NMR. For the backbone torsion angle E, dynamically averaged coupling constants from the MD calculation agree well with the experimental values, but for the anglep, a systematic difference of ca. 25" remains. The two base pairs at the ends of the duplex are calculated to be highly labile, which is consistent with the high exchange rate of the corresponding imino protons found by NMR.

Ätiologie potentiell primordialer Biomolekül‐Strukturen: Vom Vitamin B12zu den Nukleinsäuren und der Frage nach der Chemie der Entstehung des Lebens – ein Rückblick

“…Die von Bernhard Jaun und Mitarbeitern NMR-spektroskopisch ermittelte und von Romain Wolf molekulardynamisch modellierte Struktur des Duplexes der antiparallel-selbstkomplementären Sequenz 4'-pr-(CGAATTCG) zeigt eine (schwach) linkshelikale Leiterstruktur mit antiparalleler Strangorientierung und einer starken Rückgrat/Basenpaarachsen-Neigung (Abbildungen 39 und 40). [136,142,169] Diese weist eine im Vergleich zur homo-DNA umgekehrte Orientierung auf. [97,139] Der Strukturtyp entspricht zu einem bemerkenswerten Ausmaß jenem, der durch qualitative Konformationsanalyse anhand idealisierter Konformationen für einen p-RNA-Duplex vorausgesagt worden war.…”

“…NMR-spektroskopisch beobachtete Paarungskonformation von p-RNA. [136] Die Basenstapelung ist interstrangulär.…”

“…Die NMR-spektroskopisch ermittelte Struktur des p-RNA-Duplexes der antiparallel-selbstkomplementären Basensequenz 4'-CGAATTCG ist eine schwach linkshelikale Leiterstruktur mit starker Rückgratneigung. [136,169] Präbiotische Chemie…”

“…Die im Laboratorium von Bernhard Jaun [158,169] NMRspektroskopisch ermittelte Duplex-Struktur der selbstkomplementären Sequenz l-4'-ara-CGAATTCG zeigt eine dem entsprechenden p-RNA-Duplex [136] nicht unähnliche, jedoch noch deutlicher lineare und noch etwas stärker geneigte Leiterstruktur (Abbildung 55). Vorab hat uns diese gelehrt, was zur qualitativen Beurteilung der strukturellen Voraussetzungen der Watson-Crick-Basenpaarung ebenfalls gehç-ren muss, nämlich, dass Paarung auch mit sterisch stark gehinderter Paarungskonformation mçglich ist, und zwar dann, wenn sämtliche alternativen Konformationen ebenfalls gehindert sind.…”

Oligonucleotides with Sugars Other Than Ribo‐ and 2′‐Deoxyribofuranose in the Backbone: the Solution Structures Determined by NMR in the Context of the ‘Etiology of Nucleic Acids’ Project of Albert Eschenmoser

“…The determination of the solution structure of a pRNA duplex by NMR was accomplished in two steps separated in time by several years. In the first round, the NMR spectra were acquired, fully assigned, and the NOE and coupling-constant data were interpreted to deduce the essential features of the solution structure [23]. In a second round, performed in collaboration with the laboratory of Schwalbe, the original NMR data were used in a simulated annealing molecular-dynamics (MD) calculation to generate a bundle of structures consistent with the NMR-derived restraints [24] (Fig.…”