Гіпотеза Уотсона-Кріка про рідкісну таутомерну мутацію і реальність

  • E. S. Kryachko Інститут теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України, вул. Метрологічна, 14-б, Київ, 03143, Україна https://orcid.org/0000-0002-8179-1849
Ключові слова: ДНК, мутація, таутомерна модель Уотсона-Кріка мутацій в ДНК, дипольно-пов'язаний електрон, адіабатична електронна спорідненість, модель парної таутомерії

Анотація

Актуальність. У своїй основоположній статті у Nature (Nature. 1953;171:737) Дж. Д. Уотсон та F.H.C. Крик зазначили, що структура ДНК допускає так звану таутомерну модель спонтанних точкових мутацій. Дана робота, викладена на конференції "Нанобіофізика-2019" (Київ) як пленарна доповідь, є, по суті, спробою відповісти на такі питання: (і) "Так, таутомеризм основ є цілком привабливою моделлю, але наскільки вона важлива в мутагенезі?", поставлений Морганом (Morgan AR. Trends Biochem. Sci. 1993;18:160–163); (іі) Яку реальність описує модель рідкісної таутомерної мутації? У даній роботі на прикладі структури уотсон-криковської пари [А×Т]WC використана більш рання модель мутацій, спричинених зсувом основ у парі i перемиканням водневих зв'язків всередині пари [А×Т]WC (Kryachko ES, Sabin JR. Int. J. Quantum Chem. 2003;91:695–710). Показано, що деякі результуючі структури мають спорідненість до електронів у 1,7 разів вищу порівняно з канонічною парою, що, безумовно, представляє інтерес з огляду на численні явища, пов'язані з переносом заряду і приєднанням електрона до ДНК.

Мета роботи. Відповісти на питання, підняті в Актуальності, і показати реалістичність таутомерної моделі мутацій, модифікованої в даній роботі на прикладі уотсон-криковської пари [А×Т]WC і названої моделлю парної таутомерії.

Матеріали та методи. Основним методом є комп'ютерне моделювання, засноване на методі функціоналу густини. Всі розрахунки були проведені з використанням пакета програм GAUSSIAN методом функціоналу густини Бекке-Лі-Янга-Парра (Becke-Lee-Yang-Parr), B3LYP.

Результати. У роботі показано існування і стабільність парної таутомерної мутації в парі аденін–тимін і досліджено, до яких неоднозначних (wobble) пар вона може призводити. Також показано, що внаслідок специфіки будови парної таутомерної мутації пари аденін–тимін, мутація володіє великою електронною спорідненістю в порівнянні з початковою парою і тому може спостерігатись в реальності і за її допомогою можна пояснити ряд явищ переносу заряду в ДНК, що, знову ж таки, підкреслює її реальність.

Висновки. З одного боку, запропоновано узагальнення таутомерної гіпотези Уотсона-Кріка, що отримало в даній роботі, конкретно для пари аденін–тимін, назву парної таутомерної мутації. Така мутація відноситься до дипольно-зв'язуючих-електрон систем, що зумовлює їх високу адіабатичну спорідненість до електрону. Останнє, з іншого боку, підкреслює реалістичність запропонованої мутаційної моделі і її можливе застосування для пояснення явищ переносу заряду в ДНК і процесів приєднання електрона до ДНК.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Посилання

Watson JD, Crick FHC. Molecular structure of nucleic acids: A structure for deoxyribose nucleic acid. Nature. 1953;171:737–8. https://doi.org/10.1038/171737a0

Watson JD, Crick FHC. The structure of DNA. Cold Spring Harb Symp Quant Biol. 1953;18:123–31. https://doi.org/10.1101/sqb.1953.018.01.020

Crick FHC, Watson JD. The complementary structure of deoxyribonucleic acid. P Roy Soc A–Math Phy. 1954;223:80–96. https://doi.org/10.1098/rspa.1954.0101

Auerbach C. Problems in chemical mutagenesis. Cold Spring Harb Symp Quant Biol. 1951;16:199–213. https://doi.org/10.1101/sqb.1951.016.01.016

Vol'kenstein MV. Molekulyarnaya biofizika [Molecular biophysics]. Moscow: Nauka; 1975. 616 p. (in Russian)

Marais A, Adams B, Ringsmuth AK, Ferretti M, Gruber JM, Hendrikx R, et al. The future of quantum biology. J R Soc Interface. 2018;15:20180640. https://doi.org/10.1098/rsif.2018.0640

Mirman R. The reality and dimension of space and the complexity of quantum mechanics. Int J Theor Phys. 1988;27:1257–76. https://doi.org/10.1007/BF00670681

Kryachko ES. Selected theses on science. In: Valsiner J, Lutsenko A, Antoniouk A, editors. Sustainable Futures for Higher Education: The Making of Knowledge Makers. Springer, Cham; 2018. pp. 189–206. https://doi.org/10.1007/978-3-319-96035-7

Engel'gardt VA. Facts and ideas in the creative work of scientist. In: Kratkii mig torzhestva: O tom, kak delayutsya nauchnue otkrutiya [A brief moment of triumph: How scientific discoveries are made]. Moscow: Nauka; 1989. pp. 20–26. (in Russian).

Einstein A, Podolsky B, Rosen N. Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete? Phys Rev. 1935;47:777–80. Available from: https://journals.aps.org/pr/cited-by/10.1103/PhysRev.47.777

Cantrell CD, Scully MO. The EPR paradox revisited. Phys Rep. 1978;43:499–508. https://doi.org/10.1016/0370-1573(78)90211-9

Jaeger L. The second quantum revolution: From entanglement to quantum computing and other super-technologies. Springer, Cham; 2018. 339 p. https://doi.org/10.1007/978-3-319-98824-5

Morgan AR. Base mismatches and mutagenesis: how important is tautomerism? Trends Biochem Sci. 1993;18(5):160-3. https://doi.org/10.1016/0968-0004(93)90104-U

Topal MD, Fresco JR. Complementary base pairing and the origin of substitution mutations. Nature 1976;263:285–9. https://doi.org/10.1038/263285a0

Kimsey, IJ, Petzold K, Sathyamoorthy B, Stein ZW, Al-Hashimi HM. Visualizing transient Watson-Crick-like mispairs in DNA and RNA duplexes. Nature. 2015;519:315–20. https://doi.org/10.1038/nature14227

Quinn JR, Zimmerman SC, Del Bene JE, Shavitt I. Prebiotic selection of the AT base-pair? A physical organic approach to understanding AT base-pair stability indicates special stability (1,2). ACS Symposium Series. 2009 Dec 20;1025:95-107. https://doi.org/10.1021/bk-2009-1025.ch005

Nollau P, Wagener Ch. Methods for detection of point mutations: performance and quality assessment. Clin Chem. 1997;43(7):1114–28. https://doi.org/10.1093/clinchem/43.7.1114

Grebneva EA. Role of hydrogen bonds in the processes of formation of gene mutations. Soviet Journal of Chemical Physics [Khimicheskaya Fizika]. 1993:12(7):1024–31. (in Russian)

Brovarets' OO, Hovorun DM. Proton tunnelling in the AT Watson-Crick DNA base pair: myth or reality? J Biomol Struct Dyn. 2015;33:2716–20. https://doi.org/10.1080/07391102.2015.1092886

Saenger W. Principy strukturnoj organizacii nukleinovyh kislot [Principles of Nucleic Acid Structure]. Moscow: Mir; 1987. 584 p. (in Russian)

Marian CM. The guanine tautomer puzzle: quantum chemical investigation of ground and excited states. J. Phys. Chem. 2007;111:1545–53. https://doi.org/10.1021/jp068620v

Alonso JL, Pena I, Lopez JC, Vaquero V. Rotational spectral signatures of four tautomers of guanine. Angew Chem Int Ed. 2009;48(33):6141–3. https://doi.org/10.1002/anie.200901462

Schroedinger E. Chto takoe zhizn' s tochki zrenija fiziki? [What is life? The physical aspect of the living cell]. Moscow: Gosudarstvennoe izdatel'stvo inostrannoj literatury; 1947. 150 p. (in Russian).

Danilov VI, Kvencel' GF. Jelektronnye predstavlenija v teorii tochechnyh mutacij [Electronic representations in point mutation theory]. Kiev: Naukova dumka; 1971. 84 p. (in Russian)

Löwdin P-O. Proton tunneling in DNA and its biological implications. Rev Mod Phys. 1963;35:724–32. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.35.724

Kryachko ES. The origin of spontaneous point mutations in DNA via Löwdin mechanism of proton tunneling in DNA base pairs: cure with covalent base pairing. Int J Quantum Chem. 2002;90:910–23. https://doi.org/10.1002/qua.975

Kryachko ES. The origin of spontaneous point mutations in DNA: Löwdin’s mechanism of proton tunneling in DNA base pairs. In: Brändas EJ, Kryachko ES, editors. Fundamental world of quantum chemistry: A Tribute to the Memory of Per-Olov Löwdin. Vol. II. Dordrecht: Kluwer; 2003. pp. 583–629. ISBN: 1-4020-1286-1

Kryachko ES, Volkov SN. To the understanding of the mechanism of formation of point mutations in DNA. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2018;7:103–12. https://doi.org/10.15407/dopovidi2018.07.103 (in Ukrainian)

Lehninger AL. Biochemistry. The molecular basis of cell structure and function. New York: Worth Publishers, Inc; 1970. 833 p.

Alberts B. DNA replication and recombination. Nature. 2003;421(6921):431–5. https://doi.org/10.1038/nature01407

Widłak W. DNA replication, mutations, and repair. In: Widłak W, editor. Molecular Biology. Lecture Notes in Computer Science, vol. 8248. Berlin: Springer; 2013. p. 49–69. https://doi.org/10.1007/978-3-642-45361-8_4

Florián J, Hrouda V, Hobza P. Proton transfer in the adenine-thymine base pair. J Am Chem Soc. 1994;116(4):1457–60. https://doi.org/10.1021/ja00083a034

Gorb L, Podolyan Y, Dziekonski P, Sokalski WA, Leszczynski J. Double-proton transfer in adenine-thymine and guanine-cytosine base pairs. A post-Hartree-Fock ab initio study. J Am Chem Soc. 2004;126(32):10119–29. https://doi.org/10.1021/ja049155n

Löwdin P.-O. The mathematical definition of a molecule and molecular structure. In: Maruani J (ed) Molecules in physics, chemistry, and biology: Physical Aspects of Molecular Systems. Series: Topics in molecular organization and engineering, vol 2. Dordrecht: Kluwer; 1988. pp 3–60. https://doi.org/10.1007/978-94-009-2851-0_1

Kryachko ES, Sabin JR. Quantum chemical study of the hydrogen-bonded patterns in AT base pair of DNA: Origins of tautomeric mispairs, base flipping, and Watson-Crick Hoogsteen conversion. Int J Quantum Chem. 2003;91:695–710. https://doi.org/10.1002/qua.10462

Arnold AR, Grodick MA, Barton JK, DNA charge transport: from chemical principles to the cell. Cell Chemical Biology. 2016;23(1):183–197. https://doi.org/10.1016%2Fj.chembiol.2015.11.010

Apalkov VM, Chakraborty T. Electron dynamics in a DNA molecule. Phys Rev B. 2005;71:033102. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.71.033102

Simons J. How do low-energy (0.1-2 eV) electrons cause DNA-strand breaks? Acc Chem Res. 2006;39(10):772–9. https://doi.org/10.1021/ar0680769

Wetmore SD, Boyd RJ, Eriksson LA. Electron affinities and ionization potentials of nucleotide bases. Chem Phys Lett. 2000;322(1–2):129–35. https://doi.org/10.1016/S0009-2614(00)00391-2

Wang YF, Tian SX. Shape resonance states of the low-energy electron attachments to DNA base tautomers. Phys Chem Chem Phys. 2011;13:6169–75. https://doi.org/10.1039/C0CP01721C

Boldissar S, de Vries MS. How nature covers its bases. Phys Chem Chem Phys. 2018;20:9701–16. https://doi.org/10.1039/C8CP01236A

Danilov VI, Mikhaleva OV, Slyusarchuk ON, Stewart JJ, Alderfer JL. On the new mechanism of mutations induced by UV-light. A theoretical study of the double-proton phototautomerism in a model base pair of DNA. Biopolym Cell. 1997;13(4):261–8. http://doi.org/10.7124/bc.000488

Shukla M, Leszczynski J, editors. Radiation induced molecular phenomena in nucleic acids. A comprehensive theoretical and experimental analysis. Dordrecht: Springer; 2008. 677 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-8184-2

Kumar A, Mishra PC, Suhai S. Adiabatic electron affinities of the polyhydrated adenine-thymine base pair: A density functional study. J Phys Chem A. 2005;109(17):3971–9. https://doi.org/10.1021/jp0456178

Sukhoviya MI, Birdus SE, Shafranyosh MI, Svida YuYu, Shafranyosh II. Molecular mechanisms of influence of slow electrons on biological structures. Biophysal bulletin. 2019;42(1),68–74. https://doi.org/10.26565/2075-3810-2019-42-06 (in Ukrainian).

Frisch MJ, Trucks GW, Schlegel HB, Scuseria GE, Robb MA, Cheeseman JR, et al. Gaussian 09, Revision C.01; Gaussian, Inc.: Wallingford CT, 2010. Avaiable from: https://gaussian.com/

Gu J, Leszczynski J, Schaefer HF III. Interactions of electrons with bare and hydrated biomolecules: From nucleic acid bases to DNA segments. Chem Rev. 2012 June 13;112(11):5603–40. https://doi.org/10.1021/cr3000219

Wesolowski SS, Leininger ML, Pentchev PN, Schaefer HF III. Electron affinities of the DNA and RNA bases. J Am Chem Soc. 2001;123:4023–8. http://doi.org/10.1021/ja003814o

Richardson NA, Wesolowski SS, Schaefer HF III. Electron affinity of the guanine-cytosine base pair and structural perturbations upon anion formation. J Am Chem Soc. 2002; 124(34):10163–70. http://doi.org/10.1021/ja020009w

Modrich P. Mechanism in E. coli and human mismatch repair (Nobel Lecture). Angew Chem Int Ed. 2016 May 20;55(30):8490–501. http://doi.org/10.1002/anie.201601412

Fermi E, Teller E. The capture of negative mesotrons in matter. Phys Rev. 1947 Sep 1;72(5):399–408. http://doi.org/10.1103/PhysRev.72.399

Turner JE. Minimum dipole moment required to bind an electron—molecular theorists rediscover phenomenon mentioned in Fermi-Teller paper twenty years earlier. Am J Phys. 1977;45:758–66. https://doi.org/10.1119/1.10767

Desfrancois Ch, Abdul-Carime H, Schermann JP. Ground-state dipole-bound anions. Int J Mod Phys B. 1996;10(12):1339–95. https://doi.org/10.1142/S0217979296000520

Jordan KD, Wang F. Theory of dipole-bound anions. Annu Rev Phys Chem. 2003;54:367–96. https://doi.org/10.1146/annurev.physchem.54.011002.103851

Simons J. Molecular anions. J Phys Chem A. 2008 Jul;112(29):6401–511. http://doi.org/10.1021/jp711490b

Опубліковано
2020-07-29
Цитовано
0 статей
Як цитувати
Kryachko, E. (2020). Гіпотеза Уотсона-Кріка про рідкісну таутомерну мутацію і реальність. Біофізичний вісник, (43), 121-132. https://doi.org/10.26565/2075-3810-2020-43-13
Розділ
Молекулярна біофізика