Барановський Сергій Федорович. Молекулярний механізм сиквенс-специфічної взаємодії інтеркалюючих лігандів з дезоксиолігонуклеотидами різної довжини і вторинної структури : Дис... д-ра наук: 03.00.02 - 2002.
Анотація до роботи:
Барановський С.Ф. Молекулярний механізм сиквенс - специфiчної взаємодії інтеркалюючих лiгандiв з дезоксиолiгонуклеотидами різної довжини і вторинної структури. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фiзико-математичних наук за спеціальнiстю 03.00.02 - біофізика. - Харківський національний університет ім. В. Н. Каразіна, м. Харків, 2002.
На основі експериментальних даних ЯМР - спектроскопії і різноманітних моделей молекулярної асоціації вивчена самоасоцiацiя у водному розчині ароматичних молекул - барвникiв, антибіотиків і дезоксиолiгонуклеотидів, якi відрізняються нуклеотидним складом, довжиною і вторинною структурою. Параметри самоасоцiації ароматичних молекул суттєво залежать від структури їх хромофорiв; стабільність дуплексiв фрагментів ДНК - від нуклеотидного складу і числа пірiмідін - пуринових дільниць в послідовності. Проведене дослідження комплексоутворення типових iнтеркаляторiв - бромистого етидiя і дауноміцина з вивченими дезоксиолiгонуклеотидами. Встановленo характерні особливості сиквенс - специфiчного зв'язування лiганда з ДНК i геометрії різних типів молекулярних компексів. Розраховано вклади різноманітного типу реакцій в сумарні теплові і ентропiйнi ефекти. Обговорено особливості комплексоутворення лiгандiв з одноланцюговими дезоксиолiгонуклеотидами і шпильковою структурою ДНК у водному розчині.
1. Розроблена методика проведення експерименту і обробки експериментальних даних дозволяє отримати кількісні дані про параметри комплексоутворення ароматичних біологічно активних молекул з фрагментами ДНК, розрахувати параметри подвійної спіралі і орієнтацію хромофорів лі-гандів в інтеркальованих комплексах “ДНК - ліганд”, використовуючи індуковані хімічні зсуви, екрануючи дію нуклеотидних пар на протони ліганду і дані 2М – NOE спектрів, а також розрахувати внески різноманітного типу реакцій в сумарні теплові і ентропійні ефекти взаємодіючих молекул при спільній обробці концентраційних і температурних залежностей протон-них хімічних зсувів молекул.
2. Показано, що характеристики реакцій самоасоціації ароматичних лігандів, отримані на основі кооперативної і некооперативної моделей взаємодії молекул, суттєво залежать від хімічної структури хромофорів і характеру бокових ланцюгів і груп досліджених біологічно активних сполук.
Дослідження самоасоціації дезоксиолігонуклеотидних послідовностей різноманітної довжини і нуклеотидного складу дозволяє розмістити cамокомплементарні дуплекси олігонуклеотидів (ds-ДНК) за термодинамічною стабільністю в наступному ряді: d(CGCGCG)2 > d(GACATGTC)2 > d(CGTACG)2 > d(TACGTA)2 > d(CGCG)2 > d(GCGC)2 > d(TGCA)2 > d(ACGT)2 > d(AGCT)2, а диміри несамокомплементарних дезокситетрануклеотидів в такий послідовності: d(CGAA)2 »
d (AAGC)2 > d (CTGA)2 > d(GAAG)2 . Стабільність дуплексів залежить від нуклеотидного складу і числа пірімідін - пуринових дільниць в послідовності. Особливе положення по термічній стабіль-ності серед вивчених дезоксиолігонуклеотидів займає дезоксигептануклеотід d(GCGAAGC), що містить паліндромну послідовність в ланцюзі і здатний утворювати шпилькову структуру у водному розчині. Гептамір d(GCGAAGC) утворює шпильку з короткою GAA - петлею, винятково тривку до дії температури (Тm = 78о С). При цьому стебло шпильки гептаміеру, що складається з двох пар основ, приймає конформацію близьку до В - форми.
3. Розроблені методики визначення сиквенс - специфічного зв'язування ароматичних лігандів з олігонуклеотидними послідовностями різної вторинної структури (ssДНК, ds-ДНК, шпількови структури). Виявлені типи реакцій, які адекватно відбивають процеси комплексоутворення барвника бромистого етидію і антибіотика дауноміцину з послідовностями різноманітного нуклеотид-ного складу, довжини і вторинної структури в розчині, визначено константи рівноваги в реакціях зв'язування лігандів з дезоксиолігонуклеотидами, встановлено характерні особливості геометрії різноманітного типу комплексів. Показано, що вміст в розчині різноманітних типів комплексів “дезоксиолігонуклеотид – ліганд” залежить від температури розчину, співвідношення вхідних концентрацій взаємодіючих молекул, послідовності основ і довжини ланцюга дезоксиолігонуклеотидів.
4. Встановлена переважна взаємодія бромистого етидію з pyr - pur послідовністю основ в самокомплементарних олігонуклеотидних дуплексах і несамокомплементарних одноланцюгових фрагментах ДНК. Виявлена значно менша імовірність зв'язування ЕВ з сайтами одноланцюгових пос-лідовностей, що містять однакові типи основ (pyr - pyr або pur - pur) в ланцюзі. Отримані результати свідчать про те, що вибірковість зв'язування ЕВ з пірімідін – пуриновою послідовністю викликана головним чином різноманітними конформаційними перебудовами олігонуклеотидів при ін-теркаляції барвника.
5. Дауноміцин практично не виявляє сиквенс - специфічність взаємодії з одно- і двоспіральними дезокситетрануклеотидами. Антибіотик здебільшого интеркалює в кінцеві сайти вивчених олігонуклеотидів, при цьому аміносахар DAU розташовується в малій канавці дуплекса олігоміру, част-ково перекриваючи третю пару основ.
6. Порівняльний аналіз параметрів комплексоутворення DAU c послідовностями з шести нуклеотидів однозначно свідчить про переважне зв'язування антибіотика з триплетною нуклеотидною дільницею, яка містить дві CG-пари, фланкировані AT-парою в гексамірі d(CGTACG)2 у порівнянні з триплетами d(CGC) і d (ТАC) в дуплексах d(CGCGCG)2 і d(ТАCGТА)2. Експеримен-тальні дані дозволяють зробити висновок про те, що гідрофобні взаємодії аміносахарного залишку антибіотика в малій бороздці подвійної спірали ДНК вносять значний вклад в утворення комплексів DAU з ДНК. DAU виявляє певну специфічність зв'язування з d(CpG) - сайтом в однониткових послідовностях дезоксигексануклеотидів. Розраховані найбільш імовірні структури 1: 2 комплексів “DAU – олигонуклеотид” в розчині добре узгоджуються зі структурами подібних комплексів у кристалічному стані, визначеними засобами рентгеноструктурного аналізу.
7. Методика аналізу температурних залежностей хімічних зсувів протонів ліганду дозволяє диференціювати внески різноманітних реакцій комплексоутворення в сумарні тепловий і ентропійний ефекти при взаємодії ароматичної сполуки з дезоксиолігонуклеотидами в розчині. Аналіз термоди-намічних параметрів комплексоутворення досліджених ароматичних лігандів з дезоксиолігонук-леотидами різноманітного нуклеотидного складу і вторинної структури дозволили виявити наступні загальні закономірності:
а) комплекси 1:2, які відповідають енергетично більш вигідному зв'язуванню лігандів з самокомплементарними дуплексами ДНК, характеризуються меншими абсолютними значеннями DH і DS у порівнянні з іншими типами комплексів, що дозволяє зробити висновок про суттєву роль гидрофобних взаємодій при утворенні таких комплексів.
б) комплексоутворення ароматичних лігандів з одноланцюговими послідо-вностями характеризуються близькими значеннями DH і DS незалежно від їх нуклеотидного складу, що свідчить про значно меншу специфіку зв'язування ароматичних молекул з нуклеотидними послідовностями ssДНК.
в) абсолютні значення DH і DS комплексів досліджених лігандів з ds-ДНК зменшуються із збільшенням довжини нуклеотидної послідовності. Термодинамічні параметри комплексоутворення ЕВ з самокомплементарним октаміром ДНК узгоджуються з даними для полідезоксири-бонуклеотидів і макромолекули ДНК, визначеними мікрокалориметрично.
с) взаємодія лігандів з некомплементарним дезоксигептануклеотидом, який вміщує паліндромну послідовність в ланцюзі і здатен утворювати стабільну шпилькову структуру у водному розчині, характеризується двома різноманітними значеннями DG, які відповідають зв'язуванню з дуплексними і одноланцюговими фрагментами ДНК.
Обмірковуєтся роль довжини олігонуклеотидних дуплексів і можливість перенесення отриманих термодинамічних параметрів комплексоутворення ароматичних лігандів з ds - ДНК на полі-мірну молекулу. Показано, що самокомплементарні дезоксигекса- і дезоксиоктануклеотиди є до-брими модельними системами для дослідження термодинамики зв'язування ароматичних лігандів з макромолекулою ДНК.
Публікації автора:
Веселков А.Н., Дымант Л.Н., Барановский С.Ф., Болотин П.А., Паркес Х.Е., Дэвис Д. Исследование самоассоциации бромистого этидия в водном растворе методом 1Н – ЯМР - спектроскопии // Хим. физика.- 1994. - Т.13. - №11. - С. 70 - 78.
Веселков А.Н., Дымант Л.Н., Барановский С.Ф., Болотин П.А., Паркес Х. Е., Дэвис Д. Исследование самоассоциации антибиотика актиномицина D в водном растворе методом 1Н - ЯМР - спектроскопии // Журн. структ. химии.- 1995.- T.36.- N 1. - C.81-88.
Веселков А.Н., Дымант Л.Н., Болотин П.А., Барановский С.Ф., Паркес Х., Дэвис Д. Исследование взаимодействия бромистого этидия с дезокситетрарибонуклеозидтрифосфатом 5'-d(GpCpGpC) методом 1Н -ЯМР -спектроскопии // Молекулярн. биология.-1995. -T.29.- N2.-C.326 -338.
Веселков А.Н., Дымант Л.Н., Болотин П.А., Барановский С.Ф., Завьялова О.С, Веселков Д.А., Паркес Х., Дэвис Д. Исследование комплексообразования бромистого этидия с самокомплементарным дезокситетрануклеотидом 5'-d(ApGpCpT) методом одномерной и двумерной 1Н ЯМР-спектроскопии // Биофизика.- 1995.- Т.40. - С.1189 -1201.
Веселков А.Н., Дымант Л.Н., Болотин П.А., Барановский С.Ф., Веселков Д.А., Шипп Д., Дэвис Д. Исследование взаимодействия бромистого этидия с самокомплементарным дезокситетрануклеотидом 5'-d(ApCpGpT) в водном растворе методом 1Н-ЯМР спектроскопии // Биополимеры и клетка. - 1995. - Т.11.- N3 - 4. - С.42 - 54.
Веселков А.Н., Барановский С.Ф., Петренко Н.В., Осетров С.Г., Веселков Д.А., Дымант Л.Н., Такер А., Паркес Х., Дэвис Д. Исследование самоассоциации молекул некомплементарных дезокситетрануклеотидов различной последовательности оснований в водном растворе методом 1 Н-ЯМР спектроскопии // Биополимеры и клетка.- 1996.-Т.12.- N 4.- С. 27-34.
Веселков А.Н., Барановский С.Ф Дымант Л.Н., Болотин П.А., Дэвис Д. Термодинамический анализ взаимодействия бромистого этидия с дезокситетрарибонуклеотидтрифосатом 5'-d(АpGpCpT) по данным 1H ЯМР // Биофизика.- 1996.- Т. 41.- N 5.- С.978 - 988.
Веселков А.Н., Барановский С.Ф., Дымант Л.Н., Петренко Н.В., Осетров С.Г., Такер А., Дэвис Д. Исследование комплексообразования бромистого этидия с одноцепочечным некомплементарным дезокси-тетрануклеотидом 5’-d(CpGpApA) в водном растворе методом 1H ЯМР спектроскопии // Биополимеры и клетка.-1996.- Т.12. - N 6. - С. 36 - 49.
Веселков А.Н., Дымант Л.Н., Болотин П.А., Барановский С.Ф., Шипп Д., Дэвис Д. Термодинамический анализ взаимодействия бромистого этидия с дезокситетрарибонуклетидом 5'-d(GpCpGpC) по данным протонного магнитного резонанса // Молекулярн. биология.- 1996. -Т.30. - Вып.1. - С.177-187.
Веселков А.Н., Дымант Л.Н., Болотин П.А., Барановский С.Ф., Паркес Х., Дэвис Д. Термодинамический анализ взаимодействия бромистого этидия с дезокситетрануклеотидом 5'-d(CpGpCpG) в водном растворе по данным 1Н ЯМР // Хим. физика.-1997.- Т.16.- №4. - С.136 -146.
Davies D.B., Djimant L.N., Baranovsky S.F., Veselkov A.N. 1Н NMR determination of drug соmplехаtiоn with single-stranded oligonucleotides in solution:еthidium brоmide соmplехаtiоn with thе deoxytetranucleosides 5- d(ApCpGpTp), 5- d(ApGpCpTp) аnd 5- d(TpGpCpAp) // Biopolymers.-1997.- V.42. - P.285 - 295.
Веселков А.Н., Барановский С.Ф., Дымант Л.Н., Петренко Н.В., Веселков Д.А., Такер А., Дэвис Д. Комплексообразование бромистого этидия с одноцепочечным некомплементарным дезокситетрануклео-тидом 5’-d(ApApGpC) // Молекулярн. биология.-1997.-Т. 31.- N 2.- С. 263-273.
Веселков А.Н., Барановский С.Ф., Дымант Л.Н., Петренко Н.В., Веселков Д.А., Такер А., Дэвис Д. Термодинамика взаимодействия ароматического лиганда с одноцепочечной ДНК: анализ комплексооб-разования бромистого этидия с некомплементарными изомерными де-зокситетрануклеотидами 5’-d(СGAA) и 5’-d(AAGC) по данным 1H ЯМР // Биополимеры и клетка.-1997.- Т.13.- С.100 -107.
Веселков А.Н., Пахомов В. И., Барановский С. Ф., Дэвис Д. Б. Анализ конформационных состояний палиндромной последовательности d(GpCpGpApApGpC) в водном растворе методом1H-ЯМР спектроскопии// Молекулярн. биология. - 1997. -Т. 31. - C. 884-890.
Davies D.B., Baranovsky S. F.,Veselkov A.N. Structural and thermodynamical analysis of drug binding to singlestranded DNA oligomers. Self-association of non-selfcomplementary deoxytetranucleotides of different base sequence and their соmplехаtiоn with ethidium bromide in aqueous solution // J. Chem. Soc. Faraday Trans.- 1997.-V.93.- N8. - P. 1559 -1572.
Барановский С.Ф., Дымант Л.Н., Осетров С.Г., Петренко Н.В., Паркес Х., Дэвис Д., Веселков А.Н. Исследование комплексообразования бромистого этидия с одноцепочечным некомплементарным дезокситетрануклеотидом 5’-d(GpApApG) в водном растворе методом 1Н-ЯМР спе-ктроскопии // Журн. структ. химии.- 1998. - Т. 39.- N 5.- С.809 – 820.
Веселков А.Н., Барановский С.Ф., Дымант Л.Н., Петренко Н.В., Осетров С.Г., Веселков Д.А., Паркес Х., Дэвис Д. Исследование комплексообразования ароматического красителя бромистого этидия с одноцепочечным некомплементарным дезокситетрануклеотидом 5’-d(СpTpGpA) в водном растворе методом 1Н ЯМР спектроскопии // Биофизика.- 1998.- Т.43.- N 2.-С.205 -214.
Барановский С.Ф., Дымант Л.Н., Петренко Н.В., Веселков Д.А., Такер А., Дэвис Д., Веселков А.Н. Термодинамический анализ взаимодействия бромистого этидия с одноцепочечными некомплементарными де-зокситетрануклеотидами 5- d(СТGА) и 5- d(GААG) по данным 1H ЯМР // Хим. физика.-1998.- Т17.- С.121-129.
Веселков А.Н., Итон Р.Дж., Веселков Д.А., Дымант Л.Н., Барановский С.Ф., Осетров С.Г., Дэвис Д.Б. Исследование комплексообразования акридинового красителя профлавина с дезокситетрарибонуклеозидтрифосфатом 5’-d(TpGpCpA) в водном растворе методом 1H ЯМР спектроскопии// Биополимеры и клетка.- 1998. - Т. 14.- N 2.-C.117-126.
Веселков А.Н., Пахомов В.И., Дымант Л.Н., Барановский С. Ф., Такер А., Дэвис Д. Б. Исследование комплексообразования бромистого этидия с палиндромной последовательностью 5’-d(GpCpGpApApGpC) в водном растворе методом 1H ЯМР-спектроскопии // Молекулярн. биология. - 1998. - Т. 32.- N 4.- С.639 - 648.
Барановський С.Ф. Термодинамiчний аналiз комплексоутворення антибiотика дауномiцина з дезоксiтетрануклеотiдамиу водному розчинi // Доп. НАН України.-1999.- N12. - С.173 - 178.
Веселков А.Н., Итон Р. Дж., Барановский С.Ф., Пахомов В.И., Болотин П. А., Дымант Л. Н., Дэвис Д.Б. Комплексообразование антибиотика дауномицина с дезокситетрарибонуклеозидтрифосфатом 5-d(СpGpСpG) в водном растворе // Журн. cтрукт. химии.-1999. - Т.40. - N 2. - С.276 - 286.
Итон Р. Дж., Веселков Д. А., Пахомов П. А., Барановский С.Ф., Болотин П. А., Осетров С. Г., Дымант Л. Н., Дэвис Д. Б., Веселков А.Н. Исследование сиквенс-специфичности комплексообразования антибиотика дауномицина с изомерными дезокситетрануклеотидами 5-d(ApCpGpT), 5-d(ApGpСpT) и 5-d(ТpGpСpА) методом ЯМР // Молекулярн. биология. - 1999.- Т.33.- N5 – С.803 - 813.
Веселков А.Н., Итон Р.Дж., Барановский С.Ф., Осетров С.Г., Пахомов В. И., Болотин П.А., ДымантЛ.Н., Дэвис Д.Анализ взаимодействия антибиотика дауномицина с дезокситетрануклеотидом 5-d(ТpGpСpА) в водном растворе методом ЯМР - спектроскопии // Биополимеры и клетка. - 1999. - Т. 15. -N2.- C. 87 - 96.
Барановский С.Ф. Исследование самоассоциации молекул антрацик-линовых антибиотиков в водном растворе // Вестник СевГТУ (экология).- 2000.- Вып.23.- С.171-177.
Барановський С.Ф. Комплексоутворення бромістого етидію з октаміром 5’-d(GpApCpApTpGpTpC) у водному розчині по даним 1Н-ЯМР- cпектроскопії // Доп. НАН України. - 2000.- N 3.- С.196 - 201.
Davies D.B., Eaton R.J., Baranovsky S.F., Veselkov A.N.NMR Investigation of the Cоmplехаtiоn with deoxytetranucleotides of Different Base Sequеnce in aqueous solution // J.Biomol. Struct. Dyn. - 2000. - V.17.- N 5.- P. 887- 901.
Итон Р. Дж., Веселков Д.А., Барановский С.Ф., Осетров С.Г., Дымант Л.Н., Дэвис Д.Б., Веселков А.Н. Исследование самоассоциации молекул антрациклиновых антибиотиков в водном растворе методом 1H-ЯМР спектроскопии // Хим. физика. - 2000.- Т. 19.- С.98-104.
Итон Р.Дж., Барановский С.Ф., Веселков Д. А., Осетров С. Г., Болотин П. А., Дымант Л.Н., Пахомов В.И., Дэвис Д.Б. Веселков А.Н. Исследование комплексообразования антибиотика дауномицина с дезокситетрануклеотидами различной последовательности оснований в водном растворе методом 1H - ЯМР спектроскопии // Биофизика.- 2000.-Т. 45.- N4.- С.586 - 599.
Барановский С.Ф. Термодинамика комплексообразования антибиоти-ка дауномицина с дезокситетрануклеотидамиразличной последовательности оснований в цепи // Вестник СевГТУ (экология).- 2001.- Вып.30. - С. 148 - 154.
Веселков А.Н., Итон Р.Дж., Пахомов В.И., Семанин А.В., Барановский С.Ф., Дымант Л.Н.,Дэвис Д.Б. Анализ комплексообразования дауномицина с дезоксигексануклеотидом d(TpApCpGpTpA) в водном растворе по данным ЯМР- спектроскрпии // Молекулярн. биология. - 2001.- Т. 35.- N5.- С.868 - 878.
Veselkov A.N., Djimant L.N., Baranovsky S.F., Sigaev V.A.Zavjalova O. S. 1D- and 2D- 1H NMR investigation of complex formation of acridine dye proflavine with self - complementary deoxytetranucleotide 5’- d(GCGC) in aqueous solution // Abstracts of the III World Congress of the Theoretical Organic Chemists, Toyohashi, Japan.- 1993.- P. 97.
Djimant L.N., Bolotin P.A., Baranovsky S.F., Zavyalova O.S., Parkes H. G., Veselkov A.N. 1H NMR thermodynamical analysis of the interaction of ethidium bromide with self-complementary deoxytetranucleotides of diffe-rent base sequence // Book of abstracts 12-th International Meeting on NMR spectroscopy. UMIST, Manchester, 1995.- P.62.
Veselkov A.N., Baranovsky S.F., Petrenko N.V., Veselkov D.A., Djimant L.N., Parkes H., Tucker A., Davies D. 1H NMR investigation of self-association of noncomplementary deoxytetranucleotides of different base sequence in aqueous solution // Abstracts 13-th European Experimental N.M.R. Conference.- 1996.- Paris.- P. 253.
Davies D.B., Baranovsky S.F., Veselkov A.N. 1H NMR investigation of drug interaction with singlestranded DNA in solution: ethidium bromide complexation with non-complemrntary deoxytetranucleotides // Abstracts 13-th European Experimental N.M.R. Conference. (EENC 96). - 1996.- Paris. - P. 254.
Davies D.B., Baranovsky S.F., Pahomov V.I., Djimant L.N., Veselkov A. N. 1H NMR structural and thermodynamical analysis of the binding of aromatic drug, ethidium bromide, to a DNA octamer // Abstracts of the 13- th Intern. Meeting on NMR Spectroscopy, 1997.- Exeter, UK. - P.58.
Pahomov V.I., Baranovsky S.F., Davies D.B., Veselkov A. N. 1H NMR analysis of the binding of ethidium bromide to a very stable DNA hairpin loop // Abstracts of the 13-th Intern. Meeting on NMR Spectroscopy, 1997.- Exeter, UK. - P.57.
Davies D., Eaton R., Osetrov S., Baranovsky S., Pahomov V., Veselkov A. 1H-NMR investigation of sequence-specific binding of antibiotic daunomy-cin with deoxytetranucleotides in aqueous solution// Abstract Book of 14-th European Experimental NMR Conference, 1998.- Bled, Slovenia. - P. 198.
Djimant L.N., Baranovsky S.F., Osetrov S.G., Pahomov V.I., Bolotin P.A., Veselkov A.N. NMR structural and thermodynamical analysis of complex formation between antibiotic daunomycin and deoxyoligonucleotides of different base sequence// Abstracts of the conference on “Physics of Biolo-gical Systems”, Kiev, 1998.- P. 71.
Veselkov A.N., Pahomov V.I., Baranovsky S.F., Djimant L.N., Simanin A.V., Davies D.B. NMR analysis of the binding of daunomycin to a DNA hairpin // Abstracts of the 14-th Intern. Meeting on NMR Spectroscopy, 1999.- Edinburgh, UK.- P.21.
Veselkov A.N., Pahomov V.I., Vysotsky S.V., Baranovsky S.F., Davies D.B. NMR analysis of the binding of aromatic drug molecules to a DNA hairpin in aqueous solution// Proceedings of the 15-th European Experi-mental NMR Conference (EENC 2000), 2000.- University of Leipzig. – P.43.
