Master's Thesis

Analysis of binding properties of antibodies specific to G-quadruplex structures

Final Thesis 3.46 MB

Author of thesis: Bc. Jiří Oršel

Acad. year: 2025/2026

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

Reviewer: Ing. Jiří Holub, Ph.D.

Abstract:

The aim of this master’s thesis was to analyse DNA-protein binding properties of nanobodies specific to guanine quadruplexes (G-quadruplexes) using the Electrophoretic Mobility Shift Assay (EMSA), Atomic Force Microscopy (AFM), Fluorescence Anisotropy and Circular Dichroism Spectroscopy (CD Spectroscopy). G-quadruplexes are non-canonical secondary structures of both DNA and RNA present predominantly in promoter regions of certain genes and in telomeres, where they serve regulatory and protective functions. G-quadruplexes are also involved in the formation and proliferation of many oncological diseases. Binding capabilities of both tested nanobodies: SG4 and its mutant SG4 R105A, were tested on canonical double strand DNA (dsDNA), on cruciform DNA and on parallel and hybrid G-quadruplex DNA. In Electrophoretic Mobility Shift Assay performed with short oligonucleotide DNA, both nanobodies displayed their expected behaviour: higher affinity towards G-quadruplexes and lower or no affinity towards cruciform and dsDNA for SG4, and low or no affinity towards any of the tested secondary structures for SG4 R105A. That was, however, not the case for EMSA performed with plasmid DNA, both supercoiled and linear, containing the same sequences as in the previous experiment. Both nanobodies showed a preference for the supercoiled version of the same plasmid as opposed to the linear version, regardless of the secondary DNA structure present. The binding of SG4 and SG4 R105A to the same set of plasmids was also analysed using Atomic Force Microscopy and either no binding or only non-specific binding was found. Additionally, interpretation of AFM pictures was made difficult by the presence of DNA aggregates and fragments and the small size of nanobodies. To measure affinity constants of SG4 and SG4 R105A toward dsDNA, cruciforms and G-quadruplexes, Fluorescence Anisotropy measurements were performed. However, due to the fluorescence properties of tested proteins and oligonucleotides, it was found to be impossible to measure a binding curve of SG4 and SG4 R105A using Fluoresce Anisotropy, and therefore to determine their corresponding affinity constants using this method. And lastly, the nanobodies’ ability to stabilize the G-quadruplex secondary structure was analysed using Circular Dichroism Spectroscopy, where both SG4 and SG4 R105A were found to not stabilize G-quadruplexes, even though SG4 showed a clear affinity towards them in EMSA experiments and in previous work.

Keywords:

G-quadruplex, SG4, SG4 R105A, DNA-protein interaction, Electrophoretic Mobility Shift Assay (EMSA), Atomic Force Microscopy (AFM), Fluorescence Anisotropy, Circular Dichroism Spectroscopy (CD spectroscopy)

Date of defence

27.05.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

1. Student seznámil členy komise s náplní a cílem diplomové práce. 2. Byly přečteny posudky na diplomovou práci. 3. Student akceptoval všechny připomínky oponenta a na všechny otázky odpověděl v plné šíři. Diskuse: prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. Uvádíte poměrně široké rozmezí u poměru A 260/230, můžete to objasnit? Jaký byl postup přečištění? Zmínil jste, že plazmid měl křížovou strukturu, mohl byste to objasnit? Kde se nacházelo křížení? Vyskytuje se to přirozeně v plazmidu? K čemu je možné využít protilátky, které se Vážou na G-kvadruplexy? Je možné je využít v praxi? Je žádoucí, aby protilátky stabilizovali G-kvadruplexy? doc. Ing. Petr Sedláček, Ph.D. Využíval jste nějaký vizualizační systém? Docházelo k odstranění šumu? Je možné udělat nějaký blank gelu? Zmínil jste fluorescenční anizotropii, můžete to objasnit? prof. Ing. Adriána Kovalčík, Ph.D. Jak docházelo k vyhodnocení snímku AFM? Co jste od nich očekávali? Vycházeli jste z literatury? Dělali jste i 3D snímky? Mgr. Ondřej Vašíček, Ph.D. Využíval jste agarózu pro ELFO? Jaký je rozdíl mezi protilátkou a nanoprotilátkou? Jaká je specificita pro G-kvadruplex? Jak dlouhá byla sekvence s G kvadruplexy? Jaká je kinetika přepisu DNA? A jaká je kinetika tvorby G-kvadruplexu? Vytváří se více G-kvadruplexů v nádorových buňkách? 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. Diplomant prokázal nejen výborné odborné znalosti, ale i schopnost samostatné prezentace dosažených výsledků.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Chemistry for Medical Application (NPCP_CHMA)

Specialization

Chemistry of Bioactive Substances (CHBL)

Composition of Committee

prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. (předseda)
doc. Ing. Petr Sedláček, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Pavel Diviš, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Adriána Kovalčík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Eva Vítová, Ph.D. (člen)
Mgr. Ondřej Vašíček, Ph.D. (člen)

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

Diplomová práce Jiřího Oršela vykazuje velmi nízkou míru podobnosti s jinými dokumenty (pod 5 %), což svědčí o samostatném a originálním zpracování tématu. Práce je zaměřena na analýzu vazebných vlastností nanoprotilátek vůči G kvadruplexovým strukturám DNA a využívá kombinaci pokročilých biofyzikálních metod. Student prokázal dobrou orientaci v problematice i schopnost zvládnout metodicky náročnou experimentální práci. Přestože se během řešení potýkal s řadou omezení (např. problémy se stanovením afinity či interpretací AFM), dokázal je kriticky zhodnotit a zasadit do kontextu literatury. Navzdory těmto komplikacím se podařilo získat relevantní výsledky, včetně potvrzení očekávané afinity SG4 ke G kvadruplexům a absence vazby u mutantní varianty. Zároveň byly odhaleny rozdíly mezi chováním systémů na úrovni oligonukleotidů a plazmidů. Student prokázal schopnost interpretace i nejednoznačných dat a formulace dalších experimentálních přístupů. Práci hodnotím jako kvalitní, doporučuji ji k obhajobě a navrhuji hodnocení výborně (A).
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání B
Studium literatury a její zpracování A
Využití poznatků z literatury A
Kvalita zpracování výsledků B
Interpretace výsledků, jejich diskuse A
Závěry práce a jejich formulace A
Využívání konzultací při řešení práce A
Celkový přístup k řešení úkolů B

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jiří Holub, Ph.D.

Bc. Jiří Oršel předložil diplomovou práci, ve které zpracoval kvalitní literární rešerši zaměřenou na problematiku G‑kvadruplexů a specifických protilátek, které se na tyto struktury vážou. Získané teoretické znalosti následně vhodně aplikoval v experimentální části, kde testoval vazebné vlastnosti vybraných protilátek jak na oligonukleotidech, tak na plazmidové DNA s rozdílným potenciálem tvořit G‑kvadruplexy.
Student se dále zabýval i schopností těchto protilátek stabilizovat strukturu G‑kvadruplexů. Jak správně uvádí a diskutuje v závěru práce, stabilizační efekt nebyl prokázán, což je v dobré shodě s většinou dostupné literatury.
V průběhu řešení práce student využil řadu pokročilých analytických metod, jako jsou elektroforéza, mikroskopie atomárních sil (AFM), fluorescenční anizotropie a spektroskopie cirkulárního dichroismu. Dosažené výsledky přehledně prezentoval, vhodně interpretoval a zasazoval do kontextu relevantní odborné literatury, kterou adekvátně citoval.
Student splnil cíle stanovené v zadání práce, a proto práci hodnotím velmi kladně známkou „A“ a doporučuji ji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Logické členění práce A
Kvalita zpracování výsledků B
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 A
Topics for thesis defence:
  1. Jaká byla přibližná čistota vzorků DNA po izolaci z bakteriální biomasy před jejich použitím v jednotlivých analytických metodách? Lišily se případně požadavky na čistotu DNA mezi těmito metodami?
  2. Z obrázku 5.1.2 A je patrné mírné snížení koncentrace volné dsDNA se zvyšující se koncentrací protilátky SG4 R105A. Lze tento efekt vysvětlit možnými nespecifickými interakcemi mezi dsDNA a protilátkou?
  3. Jak si vysvětlujete hodnoty přesahující 100 % koncentrace volné DNA, které byly pozorovány při denzitometrickém vyhodnocení po přidání některých nanoprotilátek k plazmidům (viz obrázek 5.2.5)?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová