Гіпотеза Уотсона-Кріка про рідкісну таутомерну мутацію і реальність
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
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 AT 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 AT 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
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
