DNA and RNA telomeric G-quadruplexes: what topology features can be inferred from ion mobility mass spectrometry?

Valentina d'Atri (1, 2) , Valérie Gabelica (2)

1 School of Pharmaceutical Sciences
2 ARNA - Acides Nucléiques : Régulations Naturelle et Artificielle

Maintenance of the telomeres is key to chromosome integrity and cell proliferation. The G-quadruplex structures formed by telomeric DNA and RNA (TTAGGG and UUAGGG repeats, respectively) are key to this process. However, because these sequences are particularly polymorphic, solving high-resolution structures is not always possible, and there is a need for new methodologies to characterize the multiple structures coexisting in solution. In this context, we evaluated whether ion mobility spectrometry coupled to native mass spectrometry could help separate and assign the G-quadruplex topologies. We explored the circular dichroism spectra, multimer formation, cation binding, and ion mobility spectra of several 4-repeat and 8-repeat telomeric DNA and RNA sequences, both in NH4 + and in K +. In 1 mM K + and 100 mM trimethylammonium acetate, all RNAs fold intramolecularly (no multimer). In 8-repeat sequences, the subunits are not independent: in DNA the first subunit disfavors the folding of the second one, whereas in RNA the two subunits fold cooperatively via cation-mediated stacking. Ion mobility spectrometry shows that gas-phase structures keep a memory of the solution ones, but not identical. At the native charge states, the loops can rearrange in a variety of ways (unless they are constrained by pre-formed hydrogen bonds), thereby wrapping the core and masking the strand arrangements. Our study highlights that, to progress towards structural assignment from IM-MS experiments, deeper understanding of the solution-togas phase rearrangement mechanisms is warranted.

Le maintien des télomères est un élément clé pour l'intégrité chromosomique et la prolifération cellulaire. Les structures G-quadruplex formées par l'ADN télomérique et l'ARN (répétitions TTAGGGG et UUAGGGG, respectivement) sont essentielles à ce processus. Cependant, comme ces séquences sont particulièrement polymorphes, il n'est pas toujours possible d'obtenir des structures à haute résolution, et de nouvelles méthodologies sont nécessaires pour caractériser les multiples structures qui coexistent en solution. Dans ce contexte, nous avons évalué si la spectrométrie de mobilité ionique couplée à la spectrométrie de masse native pouvait aider à séparer et attribuer les topologies G-quadruplex. Nous avons exploré les spectres de dichroïsme circulaire, la formation multimère, la liaison de cations et la mobilité ionique de plusieurs séquences d'ADN et d'ARN télomériques à 4 et 8 répétitions, dans NH4+ et dans K+. Dans 1 mM d'acétate de triméthylammonium K+ et 100 mM d'acétate de triméthylammonium, tous les ARN se plient intramoléculairement (sans multimère). Dans les séquences à 8 répétitions, les sous-unités ne sont pas indépendantes : dans l'ADN, la première sous-unité défavorise le repliement de la seconde, tandis que dans l'ARN, les deux sous-unités se replient de manière coopérative par empilement médié par un cation. La spectrométrie de mobilité ionique montre que les structures en phase gazeuse conservent une mémoire des structures en solution, mais ne sont pas pour autant identiques. Aux états de charge natifs, les boucles peuvent se réarranger de diverses façons (à moins qu'elles ne soient contraintes par des liaisons hydrogène préformées), enveloppant ainsi le cœur et masquant les arrangements des brins. Notre étude souligne que, pour progresser vers l'attribution structurale à partir d'expériences d'IM-MS, il est nécessaire de mieux comprendre les mécanismes de réarrangement entre la solution et la phase gazeuse.

Domaines: Biophysique; Chimie théorique et/ou physique; Chimie analytique; Chimie-Physique [physics.chem-ph]; Biophysique [physics.bio-ph]; Biologie structurale [q-bio.BM]; Biochimie [q-bio.BM]

Valentina d'Atri, Valérie Gabelica. DNA and RNA telomeric G-quadruplexes: what topology features can be inferred from ion mobility mass spectrometry?. Analyst, 2019, 144 (20), pp.6074-6088. ⟨10.1039/C9AN01216H⟩. ⟨hal-02358205⟩