БИОХИМИЯ, 2022, том 87, вып. 6, с. 794–803

УДК 547.857.7; 577.151.042; 577.152.2

Ингибиторное действие 7‑метилгуанина и его метаболита 8‑гидрокси-7‑метилгуанина на поли(ADP-рибозо)полимеразу 1 человека

© 2022 Т.А. Кургина 1#, С.И. Шрам 2#, М.М. Кутузов 1, Т.В. Абрамова 1, Т.А. Щербакова 3, Е.А. Мальцева 1, В.В. Поройков 4, О.И. Лаврик 1,5, В.К. Швядас 6,7, Д.К. Нилов 3*nilovdm@gmail.com

Институт химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения РАН, 630090 Новосибирск, Россия

Институт молекулярной генетики Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», 123182 Москва, Россия

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Научно-исследовательский институт физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского, 119991 Москва, Россия

Научно-исследовательский институт биомедицинской химии имени В.Н. Ореховича, 119121 Москва, Россия

Новосибирский государственный университет, 630090 Новосибирск, Россия

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, факультет биоинженерии и биоинформатики, 119991 Москва, Россия

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Научно-исследовательский вычислительный центр, 119991 Москва, Россия

Поступила в редакцию 22.04.2022
После доработки 23.05.2022
Принята к публикации 23.05.2022

DOI: 10.31857/S0320972522060070

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: поли(ADP-рибозо)полимераза 1, репарация ДНК, ингибитор, 7‑метилгуанин, 8‑гидрокси-7‑метилгуанин.

Аннотация

Ранее нами было обнаружено, что образующийся в организме метаболит нуклеиновых кислот 7‑метилгуанин (7mGua) способен оказывать ингибиторное действие на фермент поли(ADP-рибозо)­полимеразу 1 (PARP1) – важную фармакологичекую мишень в противораковой терапии. В данной работе с использованием оригинального метода анализа активности PARP1, основанного на измерении анизотропии флуоресценции, исследованы ингибиторные свойства 7mGua, а также его метаболита – 8‑гидрокси-7‑метилгуанина (8h7mGua). Показано, что оба соединения дозозависимо подавляют ферментативную активность PARP1, однако 8h7mGua является более сильным ингибитором. Значения IC50 для 8h7mGua при разных концентрациях субстрата NAD+ оказались в среднем в 4 раза ниже, чем для 7mGua. Более эффективное связывание 8h7mGua в активном центре PARP1 объясняется наличием дополнительной водородной связи с каталитическим остатком Glu988. Экспериментальные и вычислительные исследования не выявили влияния 7mGua и 8h7mGua на активность других ферментов репарации ДНК, что говорит о селективности их ингибиторного действия.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

# Авторы внесли равный вклад в работу.

Финансирование

Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ (грант № 19‑74‑10072) за исключением указанных далее работ. Выделение и очистка ферментов APE1 и Polβ выполнены при поддержке РФФИ (грант № 20‑34‑90095). Компьютерное прогнозирование биологической активности выполнено в рамках Программы фундаментальных научных исследований в Российской Федерации на долгосрочный период (2021–2030 годы) (№ 122030100170‑5).

Вклад авторов

Д.К. Нилов — концепция и руководство работой; Т.А. Кургина, С.И. Шрам, М.М. Кутузов, Т.В. Абрамова, Т.А. Щербакова, Е.А. Мальцева, В.В. Поройков и Д.К. Нилов – проведение экспериментов; Т.А. Кургина, С.И. Шрам, Т.В. Абрамова и Д.К. Нилов – написание текста; О.И. Лаврик и В.К. Швядас – обсуждение результатов исследования и редактирование текста статьи.

Конфликт интересов

Д.К. Нилов и В.К. Швядас являются авторами патента на использование 7mGua для подавления ферментативной активности PARP1. Д.К. Нилов, С.И. Шрам, Т.А. Щербакова и В.К. Швядас являются авторами патентной заявки на использование 8h7mGua для подавления ферментативной активности PARP1.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания выполненных авторами исследований с участием людей или использованием животных в качестве объектов.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы

Список литературы

1. Weissmann, B., Bromberg, P. A., and Gutman, A. B. (1957) The purine bases of human urine. I. Separation and identification, J. Biol. Chem., 224, 407-422.

2. Weissmann, B., Bromberg, P. A., and Gutman, A. B. (1957) The purine bases of human urine. II. Semiquantitative estimation and isotope incorporation, J. Biol. Chem., 224, 423-434.

3. Weissmann, B., and Gutman, A. B. (1957) The identification of 6-succinoaminopurine and of 8‑hydroxy-7‑methylguanine as normal human urinary constituents, J. Biol. Chem., 229, 239-250.

4. Svoboda, P., and Kasai, H. (2004) Simultaneous HPLC analysis of 8‑hydroxydeoxyguanosine and 7‑methylguanine in urine from humans and rodents, Anal. Biochem., 334, 239-250.

5. Rodríguez-Gonzalo, E., Hernández-Prieto, R., García-Gómez, D., and Carabias-Martínez, R. (2013) Capillary electrophoresis-mass spectrometry for direct determination of urinary modified nucleosides. Evaluation of synthetic urine as a surrogate matrix for quantitative analysis, J. Chromatogr. B Anal. Technol. Biomed. Life Sci., 942-943, 21-30.

6. Raćkowska, E., Bobrowska-Korczak, B., and Giebułtowicz, J. (2019) Development and validation of a rapid LC-MS/MS method for determination of methylated nucleosides and nucleobases in urine, J. Chromatogr. B Analyt. Technol. Biomed. Life Sci., 1128, 121775.

7. Shuman, S. (2002) What messenger RNA capping tells us about eukaryotic evolution, Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 3, 619-625.

8. Shafer, B., Chu, C., and Shatkin, A. J. (2005) Human mRNA cap methyltransferase: Alternative nuclear localization signal motifs ensure nuclear localization required for viability, Mol. Cell. Biol., 25, 2644-2649.

9. Topisirovic, I., Svitkin, Y. V., Sonenberg, N., and Shatkin, A. J. (2011) Cap and cap-binding proteins in the control of gene expression, Wiley Interdiscip. Rev. RNA, 2, 277‑298.

10. Park, J. W., and Ames, B. N. (1988) 7‑Methylguanine adducts in DNA are normally present at high levels and increase on aging: Analysis by HPLC with electrochemical detection, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 85, 7467‑7470.

11. Mustonen, R., and Hemminki, K. (1992) 7‑Methylguanine levels in DNA of smokers’ and non-smokers’ total white blood cells, granulocytes and lymphocytes, Carcinogenesis, 13, 1951-1955.

12. Tamae, K., Kawai, K., Yamasaki, S., Kawanami, K., Ikeda, M., et al. (2009) Effect of age, smoking and other lifestyle factors on urinary 7‑methylguanine and 8‑hydroxydeoxyguanosine, Cancer Sci., 100, 715-721.

13. Craddock, V. M., Mattocks, A. R., and Magee, P. N. (1968) The fate of 7[14C]-methylguanine after administration to the rat, Biochem. J., 109, 75-78.

14. Kaina, B., Heindorff, K., and Aurich, O. (1983) O6-methylguanine, but not N7‑methylguanine or N3-methyladenine, induces gene mutations, sister-chromatid exchanges and chromosomal aberrations in Chinese hamster cells, Mutat. Res., 108, 279-292.

15. Kerr, S. J. (1990) Methylated oxypurines and induction of differentiation of murine erythroleukemia cells, Mol. Cell. Biochem., 92, 37-44.

16. Litwack, M. D., and Weissmann, B. (1966) Source of urinary 8‑hydroxy-7-methylguanine in man, Biochemistry, 5, 3007-3012.

17. Skupp, S., and Ayvazian, J. H. (1969) Oxidation of 7‑methylguanine by human xanthine oxidase, J. Lab. Clin. Med., 73, 909-916.

18. Нилов Д.К., Тараров В.И., Куликов А.В., Захаренко А.Л., Гущина И.В., и др. (2016) Ингибирование поли(ADP-рибозо)полимеразы метаболитом нуклеиновых кислот 7‑метилгуанином, Acta Naturae, 8, 120-128.

19. Nilov, D., Maluchenko, N., Kurgina, T., Pushkarev, S., Lys, A., et al. (2020) Molecular mechanisms of PARP-1 inhibitor 7-methylguanine, Int. J. Mol. Sci., 21, 2159.

20. Шиловский Г. А., Хохлов А. Н., Шрам С. И. (2013) Cистема поли(ADP-рибозил)ирования белков: роль в поддержании стабильности генома и детерминации продолжительности жизни, Биохимия, 78, 473-487.

21. Alemasova, E. E., and Lavrik, O. I. (2019) Poly(ADP-ribosyl)ation by PARP1: reaction mechanism and regulatory proteins, Nucleic Acids Res., 47, 3811-3827.

22. Нилов Д. К., Пушкарев С. В., Гущина И. В., Манасарян Г. А., Кирсанов К. И., и др. (2020) Моделирование фермент-субстратных комплексов поли(ADP-рибозо)полимеразы 1 чело­века, Био­химия, 85, 116-125.

23. Cepeda, V., Fuertes, M. A., Castilla, J., Alonso, C., Quevedo, C., et al. (2006) Poly(ADP-ribose) polymerase-1 (PARP-1) inhibitors in cancer chemotherapy, Recent Pat. Anticancer Drug Discov., 1, 39-53.

24. Martin, S. A., Lord, C. J., and Ashworth, A. (2008) DNA repair deficiency as a therapeutic target in cancer, Curr. Opin. Genet. Dev., 18, 80-86.

25. Efremova, A. S., Zakharenko, A. L., Shram, S. I., Kulikova, I. V., Drenichev, M. S., et al. (2013) Disaccharide pyrimidine nucleosides and their derivatives: a novel group of cell-penetrating inhibitors of poly(ADP-ribose) polymerase 1, Nucleosides Nucleotides Nucleic Acids, 32, 510-528.

26. Lord, C. J., Tutt, A. N., and Ashworth, A. (2015) Synthetic lethality and cancer therapy: Lessons learned from the development of PARP inhibitors, Annu. Rev. Med., 66, 455-470.

27. Curtin, N. J., and Szabo, C. (2013) Therapeutic applications of PARP inhibitors: anticancer therapy and beyond, Mol. Aspects Med., 34, 1217‑1256.

28. Henning, R. J., Bourgeois, M., and Harbison, R. D. (2018) Poly(ADP-ribose) polymerase (PARP) and PARP inhibitors: Mechanisms of action and role in cardiovascular disorders, Cardiovasc. Toxicol., 18, 493-506.

29. Berger, N. A., Besson, V. C., Boulares, A. H., Bürkle, A., Chiarugi, A., et al. (2018) Opportunities for the repurposing of PARP inhibitors for the therapy of non-oncological diseases, Br. J. Pharmacol., 175, 192-222.

30. Frampton, J. E. (2015) Olaparib: A review of its use as maintenance therapy in patients with ovarian cancer, BioDrugs, 29, 143-150.

31. Mittica, G., Ghisoni, E., Giannone, G., Genta, S., Aglietta, M., et al. (2018) PARP inhibitors in ovarian cancer, Recent Pat. Anticancer Drug Discov., 13, 392-410.

32. Zimmer, A. S., Gillard, M., Lipkowitz, S., and Lee, J. M. (2018) Update on PARP inhibitors in breast cancer, Curr. Treat. Options Oncol., 19, 21.

33. Ohmoto, A., and Yachida, S. (2017) Current status of poly(ADP-ribose) polymerase inhibitors and future directions, Onco Targets Ther., 10, 5195-5208.

34. Walsh, C. (2018) Targeted therapy for ovarian cancer: the rapidly evolving landscape of PARP inhibitor use, Minerva Ginecol., 70, 150-170.

35. Jain, P. G., and Patel, B. D. (2019) Medicinal chemistry approaches of poly ADP-Ribose polymerase 1 (PARP1) inhibitors as anticancer agents – A recent update, Eur. J. Med. Chem., 165, 198‑215.

36. Farkas, W. R., Jacobson, K. B., and Katze, J. R. (1984) Substrate and inhibitor specificity of tRNA-guanine ribosyltransferase, Biochim. Biophys. Acta, 781, 64-75.

37. Johannsson, S., Neumann, P., and Ficner, R. (2018) Crystal structure of the human tRNA guanine transglycosylase catalytic subunit QTRT1, Biomolecules, 8, 81.

38. Zhang, J., Lu, R., Zhang, Y., Matuszek, Ż., Zhang, W., et al. (2020) tRNA Queuosine modification enzyme modulates the growth and microbiome recruitment to breast tumors, Cancers (Basel), 12, 628.

39. Bolognesi, M. L. (2013) Polypharmacology in a single drug: multitarget drugs, Curr. Med. Chem., 20, 1639-1645.

40. Medina-Franco, J. L., Giulianotti, M. A., Welmaker, G. S., and Houghten, R. A. (2013) Shifting from the single to the multitarget paradigm in drug discovery, Drug Discov. Today, 18, 495-501.

41. Kurgina, T. A., Anarbaev, R. O., Sukhanova, M. V., and Lavrik, O. I. (2018) A rapid fluorescent method for the real-time measurement of poly(ADP-ribose) polymerase 1 activity, Anal. Biochem., 545, 91-97.

42. Borowitz, I. J., Bloom, S. M., Rothschild, J., and Sprinson, D. B. (1965) Methylated purines and pyrimidines. I. Syntheses of 8‑hydroxy-7‑methylguanine and methylation of a 5-(benzylideneamino) pyrimidine, Biochemistry, 4, 650-655.

43. Fischer, E. (1895) Verwandlung des Theobromins in Methylirte Harnsäuren, Chem. Ber., 28, 2480-2495.

44. Amé, J. C., Kalisch, T., Dantzer, F., and Schreiber, V. (2011) Purification of recombinant poly(ADP-ribose) polymerases, Methods Mol. Biol., 780, 135-152.

45. Ilina, E. S., Khodyreva, S. N., and Lavrik, O. I. (2018) Unusual interaction of human apurinic/apyrimidinic endonuclease 1 (APE1) with abasic sites via the Schiff-base-dependent mechanism, Biochimie, 150, 88‑99.

46. Belousova, E. A., Vasil’eva, I. A., Moor, N. A., Zatsepin, T. S., Oretskaya, T. S., et al. (2013) Clustered DNA lesions containing 5-formyluracil and AP site: Repair via the BER system, PLoS One, 8, e68576.

47. Zakharenko, A., Khomenko, T., Zhukova, S., Koval, O., Zakharova, O., et al. (2015) Synthesis and biological evaluation of novel tyrosyl-DNA phosphodiesterase 1 inhibitors with a benzopentathiepine moiety, Bioorg. Med. Chem., 23, 2044-2052.

48. Stroganov, O. V., Novikov, F. N., Stroylov, V. S., Kulkov, V., et al. (2008) Lead finder: an approach to improve accuracy of protein-ligand docking, binding energy estimation, and virtual screening, J. Chem. Inf. Model., 48, 2371-2385.

49. Novikov, F. N., Stroylov, V. S., Zeifman, A. A., Stroganov, O. V., Kulkov, V., et al. (2012) Lead Finder docking and virtual screening evaluation with Astex and DUD test sets, J. Comput. Aided Mol. Des., 26, 725-735.

50. Humphrey, W., Dalke, A., and Schulten, K. (1996) VMD: Visual molecular dynamics, J. Mol. Graph., 14, 33-38.

51. Филимонов Д. А., Дружиловский Д. С., Лагунин А. А., Глориозова Т. А., Рудик А. В., и др. (2018) Компьютерное прогнозирование спектров биологической активности химичес­ких соединений: возможности и ограничения, Biomed. Chem. Res. Methods, 1, e00004.

52. Koch-Nolte, F., Fischer, S., Haag, F., and Ziegler, M. (2011) Compartmentation of NAD+-dependent signalling, FEBS Lett., 585, 1651-1656.

53. Demple, B., Herman, T., and Chen, D. S. (1991) Cloning and expression of APE, the cDNA encoding the major human apurinic endonuclease: Definition of a family of DNA repair enzymes, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 88, 11450-11454.

54. Халиуллин И. Г., Нилов Д. К., Шаповалова И. В., Швядас В. К. (2012) Построение механистичес­кой полноатомной модели апуриновой/апирими­диновой эндонуклеазы человека APE1 для виртуального скрининга новых ингибиторов, Acta Naturae, 4, 83-89.

55. Matsumoto, Y, and Kim, K. (1995) Excision of deoxyribose phosphate residues by DNA polymerase beta during DNA repair, Science, 269, 699-702.

56. Beard, W. A., and Wilson, S. H. (2006) Structure and mechanism of DNA polymerase Beta, Chem. Rev., 106, 361-382.

57. Pouliot, J. J., Robertson, C. A., and Nash, H. A. (2001) Pathways for repair of topoisomerase I covalent complexes in Saccharomyces cerevisiae, Genes Cells, 6, 677‑687.

58. Гущина И. В., Нилов Д. К., Захаренко А. Л., Лаврик О. И., Швядас В. К. (2017) Моделирование структуры и скрининг ингибиторов тирозил-ДНК-фосфодиэстеразы 1 человека, Acta Naturae, 9, 62-69.