Cooperative biomolecular binding : high specificity of competitive single stranded DNA hybridization, influence of DNA methylation on the duplex stability, and epigenetic regulation of in vitro gene switches

Abstract

Cooperative molecular binding and recognition is essential for the function of the biological organism. Within a molecular environment consisting of many competitors, complex molecules or molecular scaffolds need to find their matching binding partner with ultrahigh specificity. The cooperative interaction between several molecular players often generates biological functions that can no longer be observed if the molecules are separated from each other. The present thesis focuses on the cooperative molecular binding of DNA and proteins. It is shown that when several, single-stranded DNA molecules with slight sequence variations are competing for binding to one complementary strand, the error of recognition is reduced by multiple orders of magnitude in thermodynamic equilibrium. This effect is seemingly dramatic when noting the similar binding affinities of the strands without competition. Furthermore, it is investigated how DNA methylation, one of the most important epigenetic factors, modifies the specificity of DNA hybridization and influences the stability of the double helicoidal DNA molecule. Ultimately, methylated DNA is used as a template for an in vitro study of the transcriptional regulation of epigenetic switches. The cooperative interaction between proteins and DNA within a complex molecular environment are mandatory for the efficient switching of genes.

Das kooperative Binden und Erkennen von Biomolekülen ist ein wesentlicher Bestandteil für die Funktionalität des biologischen Organismus. Innerhalb einer molekularen Umgebung von vielen Konkurrenten müssen komplexe Moleküle ihren passenden Bindungspartner mit sehr hoher Spezifität finden. Die kooperative Wechselwirkung zwischen mehreren molekularen Akteuren erzeugt oft biologische Funktionen, die nicht mehr erkennbar sind, sobald die Moleküle voneinander getrennt werden. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf das kooperative, molekulare Binden von DNA und Proteinen. Es wird gezeigt, dass wenn mehrere, einzelsträngige DNA Moleküle geringfügig unterschiedlicher Sequenz um das Binden an eine komplementäre Spezies konkurrieren, der Fehler der molekularen Erkennung um mehrere Größenordnungen reduziert wird. Dieser Effekt ist offensichtlich sehr drastisch, wenn man die ähnlichen Bindungsaffinitäten der DNA Stränge ohne Konkurrenz berücksichtigt. Des Weiteren wird untersucht, wie DNA Methylierung, einer der wichtigsten epigenetischen Faktoren, die Spezifizität der DNA Hybridisierung beeinflusst und sich auf die Stabilität der DNA Doppelhelix auswirkt. Letztendlich wird die methylierte DNA als Template für eine in vitro Untersuchung der transkriptionellen Regulierung von epigentischen Schaltern verwendet. Es wird gezeigt, dass die kooperative Wechselwirkung zwischen Proteinen und DNA, innerhalb einer komplexen molekularen Umgebung, für das effektive Schalten von Genen zwingend erforderlich ist.