background image

 

 

Structure Determination by NMR

I.      Choose a biologically important question.
II.     Determine if and how NMR can address the question.
III.    Synthesize or extract the molecule to study.
IV.    Design the NMR study. 
V.     Make the NMR sample(s).
VI.   Acquire and process the NMR data.
VII.  Extract information relevant to your question or hypothesis.
VIII. Report your findings.

background image

 

 

Hepatitis B Virus

The Disease

•  Member of the hepatocellular DNA virus 
family
•  300 million people worldwide are carriers.
•  Symptom of infection vary but usually 
involve inflamation of the liver and sometimes 
liver damage.
•  90% of the people who contract the virus 
will go through an acute phase of infection 
and then recover with lasting immunity.
•  10% of the people who contract the disease 
do not resolve the primary infection and 
become carriers.
•  Those that have the chronic infection have 
a 100-fold or greater risk of hepatocellular 
carcinoma (liver cancer).

background image

 

 

The Hepatitis B Virus Genome

5’

5’

+

-

RNA

Protein

Plus strand

+

5’-GGCAGAGGTGAAA-3’
3’-CCGTCTCCACTTT-5’

Direct Repeat Sequence

~3.2 kilobases

background image

 

 

The Hepatitis B Virus 

Direct Repeat Sequence

5’-GGCAGAGGTGAAA-3’
3’-CCGTCTCCACTTT-5’

I.   Performs a critical role in the initiation of 
viral DNA 

synthesis which is not 

completely understood.
II.  Deletion or mutation of just one residue can 
be 

catastrophic to virus.

III. Small enough to be studied by NMR.
IV. Are there any unique structural features 
that can give us 

insight into biological 

activity?
V.   The sequence will have an extra base-pair 
on each end.

background image

 

 

Review of DNA Structure

background image

 

 

Review of DNA Structure

background image

 

 

Review of DNA Structure

background image

 

 

Review of DNA Structure

background image

 

 

NMR Study of DR1

COSY

resonance assignments

torsion angles

sugar conformation

NOESY

resonance assignments

interproton distances

Chemical exchange

imino proton exchange rates, i.e. base pair opening

background image

 

 

Resonance Assignments

A combination of COSY and NOESY.

Use known characteristics of molecule.

sequence, identity of terminal bases, etc.

Confirm base-pair formation.

Initially assume it has a regular structure, e.g. B-DNA.

background image

 

 

DNA/RNA Backbone Structure

Bloomfield et.al. “Nucleic Acids; Structure,
Properties, and Functions” 2000.

background image

 

 

Pseudorotation Phase Cycle of

Deoxyribose

“Principles of Nucleic Acid Structure”
 Saenger, pg 19 (1984).

background image

 

 

Preferred Pseudorotation Phase Angles

“Principles of Nucleic Acid Structure”
 Saenger,  (1984).

B-DNA

A-DNA, RNA

background image

 

 

Sequential Resonance Assignments

Interproton contacts less than 4Å in (a) B-DNA and (b) A-DNA.

“Biomolecular NMR Spectroscopy” J.N.S. Evans, pg 350 (1995).

background image

 

 

2D NOESY of DR1

H8,H6-to-H1’,H5

H1’-to-H2’H2”

Bishop et.al., Biochemistry (1994).

background image

 

 

Base-to-H1’ NOESY-walk

Bishop et.al., Biochemistry (1994).

background image

 

 

Proton Chemical Shifts of DR1

~97% of all protons 
are assigned

Bishop et.al., Bioch 
(1994).

background image

 

 

Distribution of Distance Constraints

502 NOE derived distance constraints.

Bishop et.al., Bioch 
(1994).

background image

 

 

E.COSY H1’-to-H2’H2”

A18,H1’-A18,H2”

Bishop et.al., Bioch 
(1994).

background image

 

 

E.COSY A18,H1’-to-H2’H2”

5.9 Hz = J

1’-2”

Linewidth 
~4.9 Hz

Bishop et.al., Bioch 
(1994).

background image

 

 

Coupling Constants and Conformations for Sugars

background image

 

 

%S versus Base-pair

?

? ?

?

Relative imino 
proton exchange rate.

Bishop et.al., Bioch 
(1994).

background image

 

 

V

constraint

V

total

 = V

bondlength

 + V

bondangles

, V

dihedral

 + V

electrostatics

 + V

NOE

 + V

jcoupling

V

NOE

 =   

Structure Determination

k

2

(r-r

l

)

2        when r<rl

0               

when r

l

< r <r

u

k

3

(r-r

u

)

2      when r

u

 <  r

4k

2

(r-r

u

)

2    when r>r

u

all NOEs

r

u

r

l

background image

 

 

Structure Determination

NATO ASI Vol H87
“NMR of Biol. Macr.”
James et al., (1994).

background image

 

 

Structure Determination

NATO ASI Vol H87
“NMR of Biol. Macr.”
James et al., (1994).

10 rMD  structures
of [d(AGCTTGCCTTGAG)-
[CTCAAGGCAAGCT)]

RMSD = 0.9Å
267 distance restraints
130 torsion angle restraints


Document Outline