Вплив іонів металів на стабільність і конформаційну рівновагу мультиланцюгових гомополінуклеотидів: Polya-Polyu, Polya-2polyu і Polya-2polyi - Автореферат

Крім того, участь цих структур було знайдено у різних біологічних процесах (наприклад, утворення триплексів основ забезпечує підтримку жорсткої конформації t-РНК, необхідної для її функціонування). Одна з основних проблем, що виникають при роботі с потрійними спіралями нуклеїнових кислот - це той факт, що в фізіологічних умовах вони менш стабільні, ніж відповідні подвійні спіралі, що робить актуальним питання про підвищення стабільності цих структур. Іони металів значно впливають на стабільність і конформаційну рівновагу нуклеїнових кислот, тому є важливим дослідження їх стабільності у присутності йонів металів. Вєркіна НАН України за темою: "Дослідження структурних та фізико-хімічних властивостей комплексів нуклеїнових кислот з біологічно активними речовинами" (шифр теми 1.4.10.18.2), а також Міжнародного гранту US Civilian Research and Development Foundation (CRDF) “Elaboration of VCD method to study of metal-ion induced structural polymorphism of DNA and its polypurine-polypyrimidine sequences” № UB2-2442-KH-02 (2002-2004). Метою роботи було встановлення головних закономірностей впливу температури та концентрації йонів металів (Na , Mg2 , Cd2 і Ni2 ) на конформаційну рівновагу у водних розчинах A2I, вивчення впливу йонів Cd2 на конформаційну рівновагу у водних розчинах AU і A2U.У роботі досліджувались наступні полінуклеотиди: POLYA (Serva), POLYU (Serva), POLYI (Sigma), AU (Sigma), A2U (Sigma) і A2I (рис. ДУФ спектри мають таку властивість, що їх форма, яка є результатом зсування смуг поглинання основ і (або) зміни їх інтенсивності при взаємодії з іоном, не залежить від величини зсуву смуги, і таким чином, від концентрації йонів. Відсутність будь-яких інших переходів (зокрема, 3®2 і 2®1) підтверджується також відсутністю зміни поглинання розчинів A2I при n=ni=(35,7±0,2)?103cm-1, де ni - хвильове число, що відповідає ізобестичній точці на ДУФ спектрах, індукованих переходом спіраль-клубок в Подібно йонам Na , іони Mg2 підвищують термостабільність A2I (рис. Підвищення Tm при збільшенні вмісту йонів Mg2 (крива 2, рис.3B) задовільно описується теорією лігандів.Результати і висновки роботи поглиблюють уявлення про взаємодію йонів металів з нуклеїновими кислотами і можуть бути використані у дослідженнях з молекулярної біофізики, а також при розробці препаратів ген-направленої дії. Показано, що при нагріванні A2I в присутності цих іонів має місце тільки конформаційний перехід Отриманий аналітичний вираз, що встановлює звязок між макроскопічними параметрами, що характеризують електростатичну взаємодію йонів металів з фосфатними групами трьохланцюгових та одноланцюгових полінуклеотидів (константи звязування), і мікроскопічними параметрами, що характеризують структуру цих полінуклеотидів (лінійні густини зарядів на їх поверхні). Цей вираз дозволяє пояснити невеликі відмінності значень констант звязування йонів Mg2 з фосфатами A2I і A2U близькістю структури цих полінуклеотидів. При низьких концентраціях іони Ni2 , на відміну від іонів Cd2 , підвищують термостабільність A2I при взаємодії з негативно зарядженими атомами кисню фосфатних груп цього полінуклеотиду.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертації експериментально досліджена конформація та стабільність дуплексів, триплексів та їх складових у присутності йонів металів, а також зроблений теоретичний аналіз їх структури та параметрів звязування. Результати і висновки роботи поглиблюють уявлення про взаємодію йонів металів з нуклеїновими кислотами і можуть бути використані у дослідженнях з молекулярної біофізики, а також при розробці препаратів ген-направленої дії.

Головні результати роботи можна сформулювати наступним чином: 1. Вперше отримані залежності термостабільності A2I від концентрації йонів Na , Mg2 , Cd2 і Ni2 . Показано, що при нагріванні A2I в присутності цих іонів має місце тільки конформаційний перехід A2I®А I I (перехід 3®1). Можливою причиною цього є вирівнювання стабільностей Хугстинівської та Уотсон-Криківської пар основ за рахунок великої відстані між глікозидними звязками в Уотсон-Криківській парі.

2. Використовуючи теорію Манінга, вперше визначені відстань між зарядами та лінійна густина заряду на одноланцюговій POLYI. Використовуючи теорію лігандів, вперше отримані залежності констант звязування йонів Mg2 і Ni2 з A2I від ступеня звязування.

3. Єдиним типом звязування йонів Mg2 з A2I в усьому концентраційному діапазоні є кулонівська взаємодія з негативно зарядженими атомами кисню фосфатних груп. Ця взаємодія не змінює конформацію полінуклеотиду, але призводить до підвищення його термостабільності.

4. Отриманий аналітичний вираз, що встановлює звязок між макроскопічними параметрами, що характеризують електростатичну взаємодію йонів металів з фосфатними групами трьохланцюгових та одноланцюгових полінуклеотидів (константи звязування), і мікроскопічними параметрами, що характеризують структуру цих полінуклеотидів (лінійні густини зарядів на їх поверхні). Цей вираз дозволяє пояснити невеликі відмінності значень констант звязування йонів Mg2 з фосфатами A2I і A2U близькістю структури цих полінуклеотидів.

5. При низьких концентраціях іони Ni2 , на відміну від іонів Cd2 , підвищують термостабільність A2I при взаємодії з негативно зарядженими атомами кисню фосфатних груп цього полінуклеотиду. При великих концентраціях іонів Ni2 і Cd2 знайдено утворення комплексу, що індукує руйнування потрійної спіралі A2I і пониження її термостабільності. Цей комплекс, імовірно, являє собою внутрішній хелат, що включає внутришньосферну взаємодію йонів Ni2 з N7 і зовнішньосферну - з О6 поліінозинових ланцюгів потрійної спіралі. Утворення такого комплексу обумовлено більшою енергетичною вигідністю їх звязування з одноланцюговими полінуклеотидами, ніж з трьохланцюговою спіраллю.

6. Вперше отримана діаграма фазової рівноваги комплексу AU Cd2 . Показано, що при низьких концентраціях Cd2 перехід AU®A U (перехід 2®1) є однофазним. При концентраціях Cd2 , більших за критичну, відбувається формування потрійної спирали A2U, область існування якої розширюється при збільшенні [Cd2 ].

7. Вперше виміряні фазові діаграми комплексів A2U Cd2 . Ці діаграми змінюють характер конформаційного переходу з ростом концентрації йонів Cd2 з двофазного A2U®AU U® A U U (перехід 3>2>1) на однофазний A2U®A U U (перехід 3>1).

Сорокин В.А., Валеев В.А., Гладченко Г.О., Андрусь Е.А., Благой Ю.П. Влияние ионов Na и Cd2 на стабильность тройной спирали ПОЛИА-2ПОЛИІ// Вісник ХНУ імені В.Н. Каразіна №568, Біофізичний вісник. - 2002. - Т. 11(2) - С. 30-35.

Sorokin V.A., Valeev V.A., Gladchenko G.O., Andrus E.A., Blagoi Yu.P. Na and Mg2 ion effect on the stability of a POLYI-POLYA-POLYI triple helix// Macromol. Biosci. - 2004 - Vol. 4 - P. 532-538.

Sorokin V.A., Valeev V.A., Gladchenko G.O., Degtyar M.V., Andrus E.A., Karachevtsev V.A., Blagoi Yu.P. Mg2 and Ni2 ion effect on stability and structure of triple poly(I)-poly(A)-poly(I) helix// International Journal of Biological Macromolecules. - 2005 - Vol. 35 - P. 201-210.

Гладченко Г.О., Благой Ю.П., Сорокин В.А., Валеев В.А., Андрусь Е.А., Карачевцев В.А. Влияние ионов кадмия на фазовое равновесие в двунитевой poly(RA)?poly(RU) // Вісник ХНУ імені В.Н. Каразіна, Біофізичний вісник. - 2007. - Т. 18(1) - С. 14-22.

Gladchenko G.O., Sorokin V.A., Andrushchenko V.V., Valeev V.A., Andrus E.A., Van de Sande J.H., Wieser H., Blagoi Yu.P. UV and VCD spectroscopic study of heating and Me2 ions-induced conformational transitions in poly(RA)-poly(RU) complexes// Book of abstracts 26 European Congress on Molecular Spectroscopy (EUCMOS). - Villeneuve DASCQUE. - 2002. - P. 111.

Sorokin V.A., Valeev V.A., Gladchenko G.O., Andrus E.A., Karachevtsev V.A., Blagoi Yu.P. Effect of structural organization level of homopolynucleotides containing adenine, uracile and hipoxantine on their interaction with Cd2 and Ni2 // III Зїзд Українського біофізичного товариства. - Львів.- 2002. - C. 4.

Andrus E.A., Sorokin V.A., Valeev V.A, Gladchenko G.O. Sodium ion effect on stability of triple helix poly I*poly A*poly I// In: XVI International School-Seminar "Spectroscopy of Molecules and Crystals". - Sebastopol, Ukraine. - 2003. - P. 191.

Valeev V.A., Sorokin V.A., Andrus E.A. Effects of divalent metal ions on long-wave absorption of nitrogen bases of heteropolynucleotides and their monomers// In: XVI International School-Seminar "Spectroscopy of Molecules and Crystals". - Sebastopol, Ukraine. - 2003. - P. 247.

Sorokin V.A., Valeev V.A., Andrus E.A., Blagoi Yu.P. Cadmium ion effect on stability and conformational of triple helix poly I*poly A*poly I// In: XVI International School-Seminar "Spectroscopy of Molecules and Crystals". - Sebastopol, Ukraine. - 2003. - P. 316.

Андрусь Е.А., Сорокин В.А., Валеев В.А., Гладченко Г.О., Благой Ю.П., Карачевцев В.А. Влияние ионов Ni 2 на конформационное равновесие в растворах POLYI-POLYA-POLYI// Конференция Молодых ученых «Физика низких температур». - Харьков. - 2004. - C. 20.

Gladchenko G.O., Blagoi Yu.P., Sorokin V.A., Valeev V.A., Andrus E.A., Karachevtsev V.A. Effect of divalent metal ions on phase equilibrium in poly(RA)-poly(RU) complexes// Book of Abstract 8th EPS Conference on Atomic and Molecular Physics. - Rennes, France. - 2004. - V. 28F, Part II. - P. 13-8.

Sorokin V.A., Valeev V.A., Gladchenko G.O., Andrus E.A., Karachevtsev V.A., Blagoi Yu.P. Effect of structural pecularities of three-stranded POLYI-POLYA-POLYI (A2I) on their stability in solutions containing Mg2 and Ni2 ions// Proceedings World Polymer Congress (MACRO). - Paris, France. - 2004. - P. I 841.

Gladchenko G.O., Blagoi Yu.P., Sorokin V.A., Valeev V.A., Andrus E.A., Karachevtsev V.A. Effect of Cd2 ions on phase equilibrium in poly(RA)-poly(RU) complexes// Proceedings World Polymer Congress (MACRO). - Paris, France. - 2004. - P. I 951.

Sorokin V.A., Valeev V.A., Gladchenko G.O., Andrus E.A., Karachevtsev V.A., Blagoi Yu.P. Effect of magnesium and nickel ions on stability of triple helix POLYI-POLYA-POLYI (A2I)// Book of Abstracts 5th International Conference on Biological Physics. - Goteborg, Sweden. - 2004. - P.78.

Сорокин В.А., Валеев В.А., Гладченко Г.О., Андрусь Е.А., Карачевцев В.А., Благой Ю.П. Конформационное равновесие POLYI-POLYA-POLYI в растворах, содержащих ионы Ni2 // Тезисы Докладов I Украинской научной конференции «Проблемы биологической и медицинской физики». - Харьков, Украина. - 2004. - P. 43.

Gladchenko G.O., Blagoi Yu., Sorokin V., Valeev V., Andrus E., Karachevtsev V. Conformation transitions in POLYA-POLYU complexes with Cd2 ions, studied by UV-VIS spectroscopy// In: XVII International School-Seminar "Spectroscopy of Molecules and Crystals". - Beregove, Ukraine. - 2005. - P. 255-256.

Sorokin V., Andrus E., Valeev V., Gladchenko G.O., Blagoi Yu., Karachevtsev V. Comparative analysis of Ni2 ion effect on conformational equilibrium of three-stranded helices A2U and A2I// In: XVII International School-Seminar "Spectroscopy of Molecules and Crystals". - Beregove, Ukraine. - 2005. - P. 258.