Можливість блокування процесу розкриття пар основ макромолекули ДНК молекулами пероксиду водню
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe64.6.500Ключові слова:
DNA base pairs, hydrogen peroxide, ion therapyАнотація
Променева терапiя важкими iонами є одним з найбiльш прогресивних методiв лiкування ракових захворювань. Результати моделювання процесу радiолiзу води показали, що в середовищi живої клiтини найбiльший час життя мають молекули пероксиду водню (H2O2). Проте, на сьогоднiшнiй день не встановлено, яку участь беруть молекули H2O2 у деактивацiї ракових клiтин. Для того, щоб встановити роль молекул пероксиду водню в iоннiй терапiї, в данiй роботi дослiджено конкурентну взаємодiю молекул H2O та H2O2 з парами нуклеїнових основ на рiзних стадiях процесу передачi генетичної iнформацiї. Для розрахункiв використано метод атом-атомних потенцiальних функцiй. Показано, що iснують конфiгурацiї пар A·T та G·C, якi стабiлiзованi молекулою H2O2 суттєво краще, нiж молекулою води. Утворення таких комплексiв може зупинити процес розкриття пар основ макромолекули ДНК ферментом, i, вiдповiдно, заблокувати процес передачi генетичної iнформацiї в ракових клiтинах пiд час iонної терапiї. Запропоновано метод експериментального пiдтвердження взаємодiї молекул пероксиду водню з нуклеїновими основами ДНК.
Посилання
W.H. Bragg, R. Kleeman. LXXIV. On the ionization curves of radium. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science 48, 726 (1904). https://doi.org/10.1080/14786440409463246
E. Surdutovich, A.V. Yakubovich, A.V. Solov'yov. Multiscale approach to radiation damage induced by ion beams: complex DNA damage and effects of thermal spikes. Europ. Phys. J. D 60, 101 (2010). https://doi.org/10.1140/epjd/e2010-00232-3
M. Kr?amer, M. Durante. Ion beam transport calculations and treatment plans in particle therapy. Eur. Phys. J. D 60, 195 (2010). https://doi.org/10.1140/epjd/e2010-00077-8
P.L. Olive. The role of DNA single- and double-strand breaks in cell killing by ionizing radiation. Radiation Research 150, 11 (1998). https://doi.org/10.2307/3579807
C.M. Gustafsson. Mechanistic Studies of DNA Repair (Royal Swedish Academy of Sciences, 2015).
M.S. Kreipl, W. Friedland, H.G. Paretzke. Time- and space-resolved Monte Carlo study of water radiolysis for photon, electron and ion irradiation. Radiation and Environmental Biophysics 48, 11 (2008). https://doi.org/10.1007/s00411-008-0194-8
S. Uehara, H. Nikjoo. Monte Carlo simulation of water radiolysis for low-energy charged particles. Journal of Radiation Research 47, 69 (2006). https://doi.org/10.1269/jrr.47.69
D. Boscolo, M. Kr?amer, M. Durante, M.C. Fuss, E. Scifoni. Trax-chem: A pre-chemical and chemical stage extension of the particle track structure code trax in water targets. Chemical Physics Letters 698, 11 (2018). https://doi.org/10.1016/j.cplett.2018.02.051
D.V. Piatnytskyi, O.O. Zdorevskyi, S.M. Perepelytsya, S.N. Volkov. Understanding the mechanism of DNA deactivation in ion therapy of cancer cells: hydrogen peroxide action. Europ. Phys. J. D 69, 255 (2015). https://doi.org/10.1140/epjd/e2015-60210-9
D.V. Piatnytskyi, S.N. Volkov. Complexes of hydrogen peroxide and DNA phosphate group in quantum-chemical calculations. Biophys. Bulletin 39, 5 (2018). https://doi.org/10.26565/2075-3810-2018-39-01
O. Zdorevskyi, D. Piatnytskyi, S.N. Volkov. Blocking of DNA specific recognition sites by hydrogen peroxide molecules in the process of ion beam therapy of cancer cells. arXiv preprint , arXiv:1811.11026 (2018). https://doi.org/10.15407/dopovidi2019.06.082
C. Bustamante, Z. Bryant, S.B. Smith. Ten years of tension: single-molecule DNA mechanics. Nature 6921, 423 (2003). https://doi.org/10.1038/nature01405
U. Bockelmann, Ph. Thomen, B. Essevaz-Roulet, V. Viasnoff, F. Heslot. Unzipping DNA with optical tweezers: high sequence sensitivity and force flips. Biophys. J. 82, 1537 (2002). https://doi.org/10.1016/S0006-3495(02)75506-9
J.M. Huguet, C.V. Bizarro, N. Forns, S.B. Smith, C. Bustamante, F. Ritort. Single-molecule derivation of salt dependent base-pair free energies in DNA. Proc. of the Nat. Acad. of Sci. 107, 15431 (2010). https://doi.org/10.1073/pnas.1001454107
K. Vanommeslaeghe, E. Hatcher, C. Acharya, S. Kundu, S. Zhong, J. Shim, E. Darian, O. Guvench, P. Lopes, I. Vorobyov, A.D. Mackerell. Charmm general force field: A force field for drug-like molecules compatible with the charmm all-atom additive biological force fields. J. Computat. Chem. 31, 671 (2010). https://doi.org/10.1002/jcc.21367
T.E. Cheatham, D.A. Case. Twenty-five years of nucleic acid simulations. Biopolymers 99, 969 (2013). https://doi.org/10.1002/bip.22331
R Lavery. Modeling nucleic acids: fine structure, flexibility and conformational transitions. Adv. Comput. Biol. 1, 69 (1994).
J.W. Eaton, D. Bateman, S. Hauberg, R. Wehbring. GNU Octave Version 4.2.1 Manual: a High-Level Interactive Language for Numerical Computations (2017).
V.I. Poltev, N.V. Shulyupina. Simulation of interactions between nucleic acid bases by refined atom-atom potential functions. J. of Biomol. Struct. and Dynamics 4, 739 (1986). https://doi.org/10.1080/07391102.1986.10508459
V.B. Zhurkin, V.I. Poltev, V.L. Florent'ev. Atom-atomic potential functions for conformational calculations of nucleic acids. Molekul. Biolog. 14, 1116 (1980).
S.A. Clough, Y. Beers, G.P. Klein, L.S. Rothman. Dipole moment of water from Stark measurements of H2O, HDO, and D2O. J. Chem. Phys. 59, 2254 (1973). https://doi.org/10.1063/1.1680328
J.T. Massey, D.R. Bianco. The microwave spectrum of hydrogen peroxide. J. Chem. Phys. 22, 442 (1954). https://doi.org/10.1063/1.1740088
S.T. Moin, T.S. Hofer, B.R. Randolf, B.M. Rode. An ab initio quantum mechanical charge field molecular dynamics simulation of hydrogen peroxide in water. Computat. Theor. Chem. 980, 15 (2012). https://doi.org/10.1016/j.comptc.2011.11.006
E.A. Orabi, A.M. English. A simple additive potential model for simulating hydrogen peroxide in chemical and biological systems. J. Chem. Theory Computat. 14, 2808 (2018). https://doi.org/10.1021/acs.jctc.8b00246
B.E. Hingerty, R.H. Ritchie, T.L. Ferrell, J.E. Turner. Dielectric effects in biopolymers: The theory of ionic saturation revisited. Biopolymers 24, 427 (1985). https://doi.org/10.1002/bip.360240302
S. Diekmann. Definitions and nomenclature of nucleic acid structure parameters. J. Mol. Biology 205, 787 (1989). https://doi.org/10.1016/0022-2836(89)90324-0
X.-J. Lu, W.K. Olson. 3DNA: a software package for the analysis, rebuilding and visualization of three-dimensional nucleic acid structures. Nucl. Acids Research 31, 5108 (2003). https://doi.org/10.1093/nar/gkg680
W. Humphrey, A. Dalke, K. Schulten. VND: visual molecular dynamics.J. Mol. Graphics 14, 33 (1996). https://doi.org/10.1016/0263-7855(96)00018-5
O. Zdorevskyi, S.N. Volkov. Possible scenarios of DNA double-helix unzipping process in single-molecule manipulation experiments. Europ. Biophys. J. 47, 917 (2018). https://doi.org/10.1007/s00249-018-1313-3
E.S. Kryachko, S.N. Volkov. Preopening of the DNA base pairs. Intern. J. Quant. Chem. 82, 193 (2001). https://doi.org/10.1002/qua.1040
E. Giudice, P. V?arnai, R. Lavery. Base pair opening within b-DNA: free energy pathways for GC and AT pairs from umbrella sampling simulations. Phys. Phys. D 31, 1434 (2003). https://doi.org/10.1093/nar/gkg239
V.I. Poltev, E.H. Gonzalez, A.V. Teplukhin. Possible role of rare tautomers of nucleic bases in mutagenesis: Effect of hydration on tautomer equilibrium. Molecular Biology 29, 213 (1995).
L. Gorb, Y. Podolyan, P. Dziekonski, W.A. Sokalski, J. Leszczynski. Double-proton transfer in adenine-thymine and guanine-cytosine base pairs. A post-Hartree-Fock ab initio study. J. Amer. Chem. Soc. 126, 10119 (2004). https://doi.org/10.1021/ja049155n
J.A. Dobado, J. Molina. Adenine-hydrogen peroxide system: DFT and MP2 investigation. J. Phys. Chem. A 103, 4755 (1999). https://doi.org/10.1021/jp990671n
S.N. Volkov, E.V. Paramonova, A.V. Yakubovich, A.V. Solov'yov. Micromechanics of base pair unzipping in the DNA duplex. J. Phys.: Condensed Matter 24, 035104 (2011). https://doi.org/10.1088/0953-8984/24/3/035104
B. Prescott, W. Steinmetz, G.J. Thomas, jr. Characterization of DNA structures by laser Raman spectroscopy. Biopolymers: Original Research on Biomolecules 23, 235 (1984). https://doi.org/10.1002/bip.360230206
V.Y. Maleev, M.A. Semenov, A.I. Gasan, V.A. Kashpur. Physical properties of the DNA-water system. Biofizika 38, 768 (1993).
R. Galletto, M.J. Jezewska, W. Bujalowski. Unzipping mechanism of the double-stranded DNA unwinding by a hexameric helicase: quantitative analysis of the rate of the dsDNA unwinding, processivity and kinetic step-size of the Escherichia coli DNAb helicase using rapid quench-flow method. J. Mol. Biol. 343, 83 (2004). https://doi.org/10.1016/j.jmb.2004.07.055
Downloads
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
