Effetto dei controioni sul processo di autoassemblaggio di molecole di guanosina: uno studio strutturale

My PhD project described in this thesis concerns the study of supramolecular aggregation of guanosine molecules. The project starts from the more ambitious idea of studying the behavior, stability and supramolecular aggregation of single strands DNA that lead to the formation of unusual structures called G-Quadruplexes. G-Quadruplexes are noncanonical forms of DNA and the interest for these structures origins from an article of Gellert et.al. in 1962, when these helical structures formed by guanylic acid were identified for the first time. G-Quadruplexes were then correlated with the Telomeres rich in guanosine at the end of chromosomes. Telomeres are tightly bound to Telomerase, the enzyme that replicates the tandem repeated sequences (TRs) in chromosome, and is expressed at very low levels in somatic cells of di↵erent organisms but is present in high amounts in cancer cells (allowing them to replicate indefinitely and bringing to an immortalization condition that due the carcinogenesis process). Therefore, the interest in G-Quadruplexes is linked with the several hypotheses on possible anti-cancer activities. In this thesis I present an extended study on the self-assembly process and behavior of Guanosine 5’-monophosphate under di↵erent physical conditions. I performed several experiments at Di.S.V.A. Laboratories and at di↵erent European Large Scale Facilities (LSF) using various techniques such as Small Angle Scattering (SAS), X-ray Di↵raction (XRD), obtaining information on the structural parameters, stability, counter-ion e↵ects and interactions between telomeres using a simple model based on G-quadruplex formation by Guanosine molecules.

Il progetto di dottorato presentato in questa tesi riguarda lo studio del self-assembling di molecole di Guanosina. Il progetto nasce dalla pi ambiziosa idea di studiare il comportamento, la stabilit´a e l’ aggregazione sopramolecolare di DNA a singolo filamento che porta alla formazione di strutture non convenzionali chiamate G-quadruplex. I G-quadruplex sono forme non canoniche del DNA, e l’interesse per queste strutture ´e iniziato quando comparve, nel 1962, un articolo di Gellert et.al., nel quale veniva dimostrata, per la prima volta, l’esistenza di queste inusuali strutture ad elica, formate dall’acido guanilico. I G-quadruplex sono correlati con le regioni terminali dei cromosomi chiamate telomeri, ricche in Guanosina. I telomeri sono strettamente legati all’attivit´a della Telomerasi, un enzima che replica le sequenze terminali, ripetute in tandem - TRs, nel cromosoma. Tale enzima ´e espresso a livelli molto bassi nelle cellule somatiche di diversi organismi, ma esente in elevate quantit´a in cellule cancerose (permettendo loro di replicarsi indefinitamente e di portarle ad una condizione di immortalizzazione che ´e alla base del processo di cancerogenesi). L’interesse per i G-quadruplex ´e legato ad una loro possibile attivit´a anticancro. In questa tesi viene presentato un esteso studio strutturale sul processo di autoassemblaggio della Guanosina 5’-monofosfato in diverse condizioni fisiche. Vengono introdotti e discussi di↵erenti esperimenti e↵ettuati presso i laboratori Di.S.V.A. dell’ Universit´a Politecnica delle Marche e presso le Large Scale Facilities utilizzando prevalentemente tecniche di di↵razione (XRD) di di↵usione a piccolo angolo dei raggi X (SAXS), ottenendo informazioni sui parametri strutturali, stabilit´a ed e↵etto dei controioni ed interpretando quindi l’interazione tra i telomeri utilizzando un semplice modello basato sulla formazione di G-quadruplex da singole molecole di Guanosina.