Bachelor's Thesis

Local Structures of Nucleic Acids in Genomes of Pathogens Transmitted by Ixodes ricinus

Final Thesis 2.15 MB Appendix 4.78 MB

Author of thesis: David Rybnikář

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Mgr. Václav Brázda, Ph.D.

Reviewer: Ing. Julie Hoová, Ph.D.

Abstract:

This bachelor’s thesis addresses the issue of non-canonical local structures in nucleic acids, specifically G-quadruplexes, in the genomes of selected pathogens transmitted by the castor bean tick (Ixodes ricinus). The aim of the thesis was to detect and characterize sequences with the potential to form G-quadruplexes (PQS) in tick-borne encephalitis virus (TBEV) and bacteria of the genus Borrelia. In the first part, an extensive in silico analysis was performed using seven different bioinformatics tools (G4Hunter, Pqsfinder, G-QINDER, DeepG4, QUFIND, Quadron, and G4Catchall) to evaluate the frequency and spatial distribution of these motifs. The results showed that despite its smaller size, the TBEV genome exhibits an order of magnitude higher relative density of PQS than the Borrelia genome, which directly correlates with a higher guanine and cytosine content. Furthermore, the analysis revealed a non-random distribution of these structures. In Borrelia, PQS significantly accumulate in promoter regions of non-coding RNAs. In TBEV, PQS were detected at the boundaries of non-structural protein‑coding regions (e.g., NS2a/NS2b, NS4b/RdRp). In the second part of the study, a selected TBEV viral sequence was experimentally tested in vitro based on the results of in silico analysis. Using fluorescence binding assays with Thioflavin T (ThT) and N‑methylmesoporphyrin IX (NMM) probes and circular dichroism (CD) spectroscopy, the ability of this sequence to form a thermodynamically stable G-quadruplex, which preferentially adopts an antiparallel topology in the presence of potassium cations, was confirmed. The findings suggest that G-quadruplexes could represent significant regulatory elements in these pathogens and potential targets for future antimicrobial and antiviral therapies.

Keywords:

G-quadruplex, PQS, tick-borne encephalitis virus, Borrelia, bioinformatics, G4Hunter, circular dichroism, fluorescence assays

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

1. Student seznámil členy komise s náplní a cílem bakalářské práce. 2. Byly přečteny posudky na bakalářskou práci. 3. Student akceptoval všechny připomínky oponentky a na všechny otázky odpověděl v plné šíři. Diskuse: prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. Co znamená zkratka TBEV? Můžete zhodnotit, zda a s jakou četností se vám podařilo nalézt potenciální sekvence s G-kvadruplexy? Jakou regulační roli G-kvadruplexy můžou mít? Souvisí regulační vlastnosti s místem výskytu? Může dojít k ovlivnění virulence? doc. Ing. Filip Mravec, Ph.D. Existuje nějaká sekvence, která by mohla mít 100 % pravděpodobnost vzniku G-kvadruplexů? Existuje „ideální“ sekvence? Můžete G-kvadruplexy stabilizovat i většími látkami než sodnými a draselnými ionty, například ze skupiny lanthanoidů? doc. Ing. Pavel Diviš, Ph.D. Jaké jsou příčiny falešně pozitivních výsledků z predikčních nástrojů pro G-kvadruplexy? Je možné kategorizovat z porovnávaných softwarů, který je nejspolehlivější, případně uživatelsky nejpřijatelnější? Student odpověděl na všechny doplňující otázky členů komise, které byly v průběhu diskuse k dané problematice vzneseny. V diskusi student prokázal výbornou orientaci v dané problematice. Po diskusi následovalo hodnocení závěrečné práce. Student prokázal nejen výborné odborné znalosti, ale i schopnost samostatné prezentace dosažených výsledků.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Chemistry for Medical Application (BPCP_CHMA)

Composition of Committee

prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. (předseda)
doc. Ing. Filip Mravec, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Adriána Kovalčík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Pavel Diviš, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Eva Vítová, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
prof. Mgr. Václav Brázda, Ph.D.

Bakalářská práce Davida Rybnikáře vykazuje nízkou míru podobnosti s jinými dokumenty (do 10 %), což svědčí o samostatném a originálním přístupu ke zpracování tématu. Práce se zabývá analýzou výskytu G kvadruplexových struktur v genomech patogenů přenášených klíštětem a vhodně kombinuje rozsáhlou teoretickou část s experimentální validací vybraných sekvencí. Student prokázal schopnost práce s moderními bioinformatickými nástroji i zvládnutí základních biofyzikálních metod (fluorescenční testy, CD spektroskopie). Výsledky jsou přehledně prezentovány a přinášejí zajímavé poznatky o nerovnoměrné distribuci těchto struktur a jejich možném biologickém významu. Práce splňuje požadavky kladené na bakalářskou práci, doporučuji ji k obhajobě a navrhuji hodnocení výborně (A).
Evaluation criteria Grade
Kvalita zpracování výsledků A
Interpretace výsledků, jejich diskuse A
Závěry práce a jejich formulace A
Využívání konzultací při řešení práce A
Celkový přístup k řešení úkolů A
Splnění požadavků zadání A
Studium literatury a její zpracování A
Využití poznatků z literatury A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Julie Hoová, Ph.D.

Bakalářská práce Davida Rybnikáře zabývající se problematikou G-kvadruplexů v genomech vybraných patogenů klíšťové encefalitidy a bakterií rodu Borrelia přenášené klíštětem obecným je zajímavým tématem v oblasti medicíny pro potenciální antimikrobiální a antivirové terapie. Teoretická část je přehledně a čtivě napsaná a musím vyzdvihnout i vybrané obrázkové zobrazení, které doplňuje daný text.
Student se v teoretické části věnuje seznámení lokálních struktur DNA. V této části bych uvítala popis také B-DNA, aby bylo jasné, v čem se nestandardní struktury DNA od této liší. Velmi detailně pak student popisuje jednotlivé bioinformatické nástroje, které byly v práci použity a porovnány pro detekci G-kvadruplexů v experimentální části. Pro zkompletnění detekce byly popsány také metody pro charakterizaci G-kvadruplexů, a to fluorescenční vazebné techniky a CD spektroskopie.
Experimentální část má jasný cíl a logickou strukturu. Student kombinuje výsledky in silico a in vitro přístupu a využívá více bioinformatických nástrojů, které mezi sebou také porovnává. Výsledky jsou vhodně interpetovány a odiskutovány. Do budoucna by bylo možné pouvažovat nad zařazením statistické analýzy pro potvrzení studentova tvrzení při porovnávání výsledků.
Práci studenta Davida Rybnikáře doporučuji k obhajobě a hodnotím známkou „A“.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Logické členění práce A
Kvalita zpracování výsledků A
Interpretace výsledků, jejich diskuse A
Využití literatury a její citace A
Úroveň jazykového zpracování A
Formální úroveň práce – celkový dojem A
Závěry práce a jejich formulace B
Topics for thesis defence:
  1. V práci porovnáváte výskyt PQS mezi souborem 216 genomů TBEV a 12 902 genomů rodu Borrelia. Jaké limity takové srovnání přináší a jak by bylo možné minimalizovat případné zkreslení způsobené rozdílnou velikostí a diverzitou analyzovaných souborů?
  2. Na základě prostorové distribuce PQS v genomu TBEV (kapitola 4.3) navrhujete jejich možnou regulační funkci. Jaké experimentální přístupy by podle Vás mohly potvrdit nebo vyvrátit biologickou roli těchto struktur při replikaci či expresi virového genomu?
  3. Jaké jsou hlavní rozdíly mezi nástroji G4Hunter, Pqsfinder a DeepG4 a proč mezi nimi vznikají tak výrazné rozdíly v počtu nalezených PQS?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová