БИОХИМИЯ, 2019, том 84, вып. 2, с. 229–239

УДК 577.085.23

Влияние противоопухолевого антибиотика оливомицина А и нового полусинтетического производного, оливамида, на функционирование ДНК-метилтрансферазы мыши Dnmt3a*,**

© 2019 А.В. Сергеев 1***, А.Н. Тевяшова 2,3, А.П. Воробьев 1, Е.С. Громова 1

1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, химический факультет, 119991 Москва, Россия; электронная почта: avsergeev@genebee.msu.ru

2 Научно-исследовательский институт по изысканию новых антибиотиков им. Г.Ф. Гаузе, 119021, Москва, Россия

3 Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, 125047, Москва, Россия

Поступила в редакцию 05.07.2018
После доработки 28.09.2018
Принята к публикации 28.09.2018

DOI: 10.1134/S0320972519020064

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: метилирование ДНК, оливомицин А, оливамид, малобороздочные лиганды, ДНК-метилтрансфераза Dnmt3a, ингибирование метилирования.

Аннотация

Оливомицин А является высокоактивным противоопухолевым препаратом, относящимся к классу антибиотиков группы ауреоловой кислоты (АК). Противоопухолевое действие оливомицина А связано с его способностью связываться с малой бороздкой ДНК в GC-богатых участках в виде Mg2+-координированных комплексов. Определение клеточных мишеней и понимание механизма действия этого препарата необходимо для его успешного применения в клинической практике и создания полусинтетических производных, обладающих улучшенными фармакологическими свойствами. Ранее мы показали, что малобороздочные лиганды способны нарушать ключевой эпигенетический процесс метилирования ДНК. В данной работе исследовано влияние оливомицина А и улучшенного полусинтетического аналога, N,N-диметиламиноэтиламида 1′-дез-(2,3-дигидрокси-н-бутироил)-1′-карбокси-оливомицина А (оливамид), на функционирование de novo ДНК-метилтрансферазы Dnmt3a, осуществляющей метилирование остатков цитозина в CG-участках ДНК эукариотических клеток. Эффекты были изучены в системе in vitro, состоящей из каталитического домена Dnmt3a мыши и 30-звенного ДНК-дуплекса, содержащего четыре последовательные GC-пары. Показано, что оливомицин А и оливамид способны ингибировать Dnmt3a со значениями IC50, составившими 6 ± 1 мкМ и 7,1 ± 0,7 мкМ соответственно. Исследуемые антибиотики практически не затрудняют образование специфического фермент-субстратного комплекса, но препятствуют формированию ковалентного интермедиата ДНК-Dnmt3a, необходимого для протекания реакции метилирования. Ингибирующий эффект оливомицина А и оливамида может быть связан с нарушением движения каталитической петли фермента через малую бороздку ДНК — стадии реакции метилирования, предшествующей образованию ковалентной связи фермента с ДНК. На основании результатов работы можно сделать вывод о возможном эпигенетическом вкладе в механизм противоопухолевого действия антибиотиков группы ауреоловой кислоты.

Текст статьи

Пожалуйста, введите код, чтобы получить PDF файл с полным текстом статьи:

captcha

Сноски

* Первоначально английский вариант рукописи опубликован на сайте «Biochemistry» (Moscow) http://protein.bio.msu.ru/biokhimiya, в рубрике «Papers in Press», BM18-190, 10.12.2018.

** Статья на английском языке опубликована в томе 84, вып. 1, 2019.

*** Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 18-34-00364 и № 16-04-01087).

Благодарности

Авторы выражают благодарность А. Елшу за предоставленную плазмиду для экспрессии МТазы Dnmt3a-CD, C. Климашаускасу за предоставленный препарат M.HhaI и С.Н. Михайлову за синтез олигонуклеотидов, содержащих пиримидин-2-он.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Список литературы

1. Tevyashova, A.N. (2016) Olivomycin A – an Antitumor Antibiotic of the Aureolic Acid Group, Pharm. Chem. J., 50, 425–430.

2. DeVita, V.T.J., Hellman, S., and Rosenberg, S.A. (2005) in Cancer: principles and practice of oncology, 7th ed., Lippincott Williams and Wilkins, Philadelphia.

3. Ogawa, M. (1978) A recent overview of chemotherapy for advanced stomach cancer in Japan, Antibiot. Chemother., 24, 149–159.

4. Gause, G.F. (1975) Chromomycin, olivomycin, mithramycin, in Antineoplastic and immunosuppressive agents. Handbook of experimental pharmacology (Sartorelli, A.C., et al., eds) Springler-Verlag, Berlin, Heidelberg, Vol, 38, pp. 615–622.

5. Kumar, V., Remers, W.A., and Bradner, W.T. (1980) Preparation and antitumor activity of olivomycin A analogs, J. Med. Chem., 23, 376–379.

6. Tevyashova, A. N., Shtil, A.A., Olsufyeva, E.N., Luzikov, Y.N., Reznikova, M.I., Dezhenkova, L.G., and Kuzmin, V.A. (2011) Modification of olivomycin A at the side chain of the aglycon yields the derivative with perspective antitumor characteristics, Bioorgan. Med. Chem., 19, 7387–7393.

7. Lombo, F., Menendez, N., Salas, J.A., and Mendez, C. (2006) The aureolic acid family of antitumor compounds: structure, mode of action, biosynthesis, and novel derivatives, Appl. Microbiol. Biot., 73, 1–14.

8. Cheglakov, I.B., Tevyashova, A.N., Kurbatov, L.K., Tatarsky, V.V., Samusenko, A.V., Preobrazhenskaya, M.N., and Shtil, A.A. (2010) Altered transcription and replication are the mechanisms of cytotoxicity of antitumor antibiotic olivomycin A, Dokl. Biochem. Biophys., 435, 320–322.

9. Durandin, N., Vinogradov, A., Shtil, A., and Kuzmin, V. (2013) Inhibition of c-Myc transcription by olivomycin A involves preferential drug binding to NFAT/Sp1 promoter site, FEBS J., 280, 86–87.

10. Fernandez-Guizan, A., Mansilla, S., Barcelo, F., Vizcaino, C., Nunez, L.E., Moris, F., Gonzalez, S., and Portugal, J. (2014) The activity of a novel mithramycin analog is related to its binding to DNA, cellular accumulation, and inhibition of Sp1-driven gene transcription, Chem-Biol. Interact., 219, 123–132.

11. Gonzalez-Sabin, J., and Moris, F. (2013) Exploring novel opportunities for aureolic acids as anticancer drugs, Biochem and Pharmacol., 2, 1–3.

12. Jurkowska, R.Z., Jurkowski, T.P., and Jeltsch, A. (2011) Structure and function of mammalian DNA methyltransferases, Chembiochem, 12, 206–222.

13. Jia, D., Jurkowska, R.Z., Zhang, X., Jeltsch, A., and Cheng, X. (2007) Structure of Dnmt3a bound to Dnmt3L suggests a model for de novo DNA methylation, Nature, 449, 248–251.

14. Zhang, Z.M., Lu, R., Wang, P., Yu, Y., Chen, D., Gao, L., Liu, S., Ji, D., Rothbart, S.B., Wang, Y., and Wang, G.G., (2018) Structural basis for DNMT3A-mediated de novo DNA methylation, Nature, 554, 387–391.

15. Jurkowska, R.Z., Rajavelu, A., Anspach, N., Urbanke, C., Jankevicius, G., Ragozin, S., Nellen, W., and Jeltsch, A., (2011) Oligomerization and binding of the Dnmt3a DNA methyltransferase to parallel DNA molecules heterochromatic localization and role of Dnmt3L, J. Biol. Chem., 286, 24200–24207.

16. Jeltsch, A. and Jurkowska, R.Z. (2013) Multimerization of the Dnmt3a DNA methyltransferase and its functional implications, Prog. Mol. Biol. Transl., 117, 445–464.

17. Bird, A. (2002) DNA methylation patterns and epigenetic memory, Gene Dev., 16, 6–21.

18. Eden, A., Gaudet, F., Waghmare, A., and Jaenisch, R. (2003) Chromosomal instability and tumors promoted by DNA hypomethylation, Science, 300, 455.

19. Jones, P.A. and Baylin, S.B. (2007) The epigenomics of cancer, Cell, 128, 683–692.

20. Cherepanova, N.A., Ivanov, A.A., Maltseva, D.V., Minero, A.S., Gromyko, A.V., Streltsov, S.A., and Gromova, E.S. (2011) Dimeric bisbenzimidazoles inhibit the DNA methylation catalyzed by the murine Dnmt3a catalytic domain, J. Enzyme Inhib. Med. Chem., 26, 295–300.

21. Darii, M.V., Rakhimova, A.R., Tashlitsky, V.N., Kostyuk, S.V., Veiko, N.N., Ivanov, A.A., Zhuze, A.L, and Gromova, E.S. (2013) Dimeric bisbenzimidazoles: Cytotoxicity and effects on DNA methylation in normal and cancer human cells, Mol. Biol., 47, 259–266.

22. Kostyuk, S.V., Kvasha, M.A., Khrabrova, D.A., Kirsanova, O.V., Ershova, E.S., Malinovskaya, E.M., Veiko, N.N., Ivanov, A.A., Koval, V.S., Zhuze, A.L., Tashlitsky, V.H., Umriukhin, P.E., Kutsev S.I., and Gromova E.S. (2018) Symmetric dimeric bisbenzimidazoles DBP(n) reduce methylation of RARB and PTEN while significantly increase methylation of rRNA genes in MCF-7 cancer cells, PLoS One, 13, e0189826.

23. Baskunov, V.B., Subach, F.V., Kolbanovskiy, A., Kolbanovskiy, M., Eremin, S.A., Johnson, F., Bonala, R., Geacintov, N.E., and Gromova, E.S. (2005) Effects of benzo[a]pyrene-deoxyguanosine lesions on DNA methylation catalyzed by EcoRII DNA methyltransferase and on DNA cleavage effected by EcoRII restriction endonuclease, Biochemistry, 44, 1054–1066.

24. Lukashevich, O.V., Baskunov, V.B., Darii, M.V., Kolbanovskiy, A., Baykov, A.A., and Gromova, E.S. (2011) Dnmt3a-CD is less susceptible to bulky benzo[a]pyrene diol epoxide-derived DNA lesions than prokaryotic DNA methyltransferases, Biochemistry, 50, 875–881.

25. Laemmli, U.K. (1970) Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4, Nature, 227, 680.

26. Bradford, M.M. (1976) A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding, Anal. Biochem., 72, 248–254.

27. Tevyashova, A.N., Durandin, N.A., Vinogradov, A.M., Zbarsky, V.B., Reznikova, M.I., Dezhenkova, L.G., Bykov, E.E., Olsufyeva, E.N., Kuzmin, V.A., Shtil, A.A., and Preobrazhenskaya, M.N. (2013) Role of the acyl groups in carbohydrate chains in cytotoxic properties of olivomycin A, J. Antibiot., 66, 523–530.

28. Sergeev, A.V., Kirsanova, O.V., Loiko, A.G., Nomerotskaya, E.I., and Gromova, E.S. (2018) Detection of DNA methylation by Dnmt3a methyltransferase using methyl-dependent restriction endonucleases, Mol. Biol., 52, 272–278.

29. Minero, A.S., Lukashevich, O.V., Cherepanova, N.A., Kolbanovskiy, A., Geacintov, N.E., and Gromova, E.S. (2012) Probing murine methyltransferase Dnmt3a interactions with benzo[a]pyrene modified DNA by fluorescence methods, FEBS J., 279, 3965–3980.

30. Gowher, H., and Jeltsch, A. (2002) Molecular enzymology of the catalytic domains of the Dnmt3a and Dnmt3b DNA methyltransferases, J. Biol. Chem., 277, 20409–20414.

31. Carpenter, M.L., Marks, J.N., and Fox, K.R. (1993) DNA-sequence binding preference of the GC-selective ligand mithramycin, FEBS J., 215, 561–566.

32. Beniaminov, A.D., Dezhenkova, L.G., Mamaeva, O.K., Shchyolkina, A.K., Tevyashova, A.N., Kaluzhny, D.N., and Shtil, A.A. (2018) Divalent cations are dispensable for binding to DNA of a novel positively charged olivomycin A derivative, PLoS One, 13, e0191923.

33. Vilkaitis, G., Serva, S., Weinhold, E., and Klimasauskas, S. (2001) The mechanism of DNA cytosine-5 methylation. Kinetic and mutational dissection of HhaI methyltransferase, J. Biol. Chem., 276, 20924–20934.

34. Maltseva, D., Baykov, A., Jeltsch, A., and Gromova, E. (2009) Impact of 7,8-dihydro-8-oxoguanine on methylation of the CpG Site by Dnmt3a, Biochemistry, 48, 1361–1368.

35. Kirsanova, O.V., Cherepanova, N.A., and Gromova, E.S. (2009) Inhibition of C5-cytosine-DNA-methyltransferases, Biochemistry (Moscow), 74, 1175–1186.

36. Cherepanova, N.A., Zhuze, A.L. and Gromova, E.S. (2010) Inhibition of murine DNA methyltransferase Dnmt3a by DNA duplexes containing pyrimidine-2 (1H)-one, Biochemistry (Moscow), 75, 1115–1125.

37. Hou, M.H., Robinson, H., Gao, Y.G., and Wang, A.H.J. (2004) Crystal structure of the [Mg2+-(chromomycin A3) 2]–d(TTGGCCAA)2 complex reveals GGCC binding specificity of the drug dimer chelated by a metal ion, Nucleic Acids Res., 32, 2214–2222.

38. Gerasimaite, R., Merkiene, E., and Klimasauskas, S. (2011) Direct observation of cytosine flipping and covalent catalysis in a DNA methyltransferase, Nucleic Acids Res., 39, 3771–3780.