Application of analytical and chemometric methodologies to study complex bioanalytical processes involving DNA i-motif structures

Abstract

The i-motif is a DNA structure formed by cytosine-rich sequences that consists of parallel- stranded duplexes held together by intercalated base pairs. The in vitro formation of this structure in DNA sequences corresponding to the promoter regions of several oncogenes, such as c-kit, c-myc or bcl-2, has been demonstrated. Recently, the first direct evidence for its in vivo presence in human cells and control regulatory functions has been proven. This structure is not only interesting from a biophysical and biomedical point of view, but also for their potential application in Analytical Chemistry or Nanotechnology. The present Doctoral Thesis deals with the application of analytical and chemometric methodologies to study complex bioanalytical processes involving DNA i-motif structures. The sequences studied correspond to those found at cytosine-rich regions found near the promoter regions of the nmyc and SMARCA4 genes. On the one hand, the stability of the i- motif structures formed by these sequences according to variations of pH, temperature, ionic strength, or presence of ligands in steady-state conditions has been studied. On the other hand, the potential of ultrafast spectroscopies for the study of fast kinetic processes triggered by light has been evaluated. Through the Thesis, curve resolution methods, either based on soft-, hard- or hybrid-modelling have been used extensively to model the biochemical processes of interest. The steady-state studies have demonstrated that the stability against pH or temperature variations of the three different kinds of cytosine-rich sequences mentioned above is strongly dependent on the number of the C·C+ base pairs, but also on the contribution of other factors, such as the base composition and length of the loops and the presence of additional stabilising structures (hairpins) in the DNA sequence. The studies performed at ultrafast time scales have revealed that the photochemical process induced by UV-lamp irradiation and monitored by rapid-scan FTIR involves the formation of dimeric photoproducts in folded and unfolded sequences. The study of processes monitored by time-resolved fluorescence in the scale of picoseconds has shown that i-motif relaxation is detected by the presence of fast lifetimes in the pH range between 4 and 6, associated with intrinsic conformational changes at the fluorescent site. In this last study, one or two

different i-motif structures have been detected in the nmyc and in the shortest DNA sequences studied, respectively. Finally, the application of multivariate resolution methods, based either on hard- or soft- modelling, has allowed the recovery of valuable chemical information from evolutionary processes of DNA. Besides, the adaptation and application of hybrid hard- and soft- modelling has been shown to be a useful approach to detect intermediate temperature- dependent conformational transitions and to avoid the effect of baseline drifts in the estimation of the melting temperature, as well to retrieve rate constants from the kinetic information present in rapid-scan FTIR difference spectra.

La estructura de l’ADN coneguda com “i-motif” es forma en seqüències riques en bases citosina (C). L’esquelet de l’i-motif està format per parells de bases C·C+ intercalats i estabilitzats per ponts d’hidrogen. S'ha demostrat la formació in vitro d'aquesta estructura en seqüències d'ADN corresponents a les regions promotores de diversos oncògens, com el c-kit, el c-myc o el bcl-2. Recentment, s'ha demostrat la primera evidència de la seva presència in vivo. La present Tesi Doctoral tracta de l'aplicació de metodologies analítiques i quimiomètriques per estudiar processos bioanalítics complexos que en els que intervenen aquestes estructures. Les seqüències estudiades corresponen a les regions promotores dels gens nmyc i SMARCA4. D'una banda, s'ha estudiat l'estabilitat de les estructures formades per aquestes seqüències segons variacions de pH, temperatura, força iònica o presència de lligands en condicions d'estat estacionari. D'altra banda, s'ha avaluat el potencial d'espectroscòpia ultraràpida per a l'estudi de processos cinètics ràpids provocats per la llum. Al llarg de la Tesi, els mètodes de resolució multivariant, ja sigui basats en models flexibles, rígids o híbrids, s'han utilitzat àmpliament per modelitzar els processos d'interès. Els estudis d'estat estacionari han demostrat que l'estabilitat davant el pH o les variacions de temperatura de les tres diferents seqüències riques en citosina esmentades anteriorment depèn molt del nombre de parells de bases de C·C+, però també de la contribució d'altres factors, com ara la composició de la base i la longitud dels bucles. A partir d'estudis ultraràpids, el procés fotoquímic induït per la irradiació de llum UV i l'IR d'escaneig ràpid s'ha relacionat amb la formació de fotoproductes dimèrics en seqüències plegades i desplegades. L'estudi dels processos seguits mitjançant fluorescència resolta en el temps ha demostrat l’existència de més d’una espècie associada amb l’estructura i-motif en el cas de les seqüencies curtes. Finalment, l'aplicació de mètodes de resolució multivariant, basats tant en models rígids o flexibles, han permès extreure informació química valuosa dels processos evolutius de l'ADN. A més, s'ha demostrat que l'adaptació i l'aplicació del modelatge híbrid ha permet calcular les constants cinètiques i detectar transicions dependents de la temperatura.