БИОХИМИЯ, 2022, том 87, вып. 11, с. 1554–1563
УДК 577.11
Термодинамика и кинетика разворачивания антипараллельных G‑квадруплексов в аптамерах к тромбину
НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, 119992 Москва, Россия
Поступила в редакцию 28.05.2022
После доработки 09.09.2022
Принята к публикации 09.09.2022
DOI: 10.31857/S0320972522110021
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ДНК-аптамеры, тромбин, G‑квадруплекс, антидот.
Аннотация
Изучен процесс разворачивания G‑квадруплекса ДНК‑аптамера RE31 и его комплекса с тромбином под действием флуоресцентно-меченных комплементарных олигонуклеотидов разной длины с образованием двуспиральных структур. Предполагается, что разворачивание G‑квадруплекса идет через образование промежуточного комплекса с олигонуклеотидом. Кинетические и термодинамические параметры разворачивания свободного аптамера и его комплекса с тромбином различаются. Удлинение комплементарной последовательности G‑квадруплекса на два нуклеотида, захватывающее так называемую «шарнирную область», практически не влияло на конформационный переход G‑квадруплекса свободного аптамера, тогда как для комплекса аптамера с белком наблюдался отчетливо выраженный эффект. Наиболее вероятной причиной этих различий является индуцируемая тромбином конформационная перестройка аптамера, затрагивающая шарнирную область.
Текст статьи
Сноски
* Адресат для корреспонденции.
Вклад авторов
В.А. Спиридонова – концепция и руководство работой, написание текста; Ю.О. Наумова – проведение экспериментов по измерению флуоресценции, обработка результатов, подготовка текста статьи и рисунков; П.А. Николаева – проведение экспериментов КД и ППР; Т.М. Новикова – подготовка комплексов аптамера, проведение пробоподготовки; Г.Я. Коломийцева – руководство работой, расчет термодинамических параметров и констант, написание текста.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Соблюдение этических норм
Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей или животных в качестве объектов.
Список литературы
1. Keefe, A. D., Pai, S., and Ellington, A. (2010) Aptamers as therapeutics, Nat. Rev. Drug Discov., 9, 537-550, doi: 10.1038/nrd3141.
2. Tan, S. Y., Acquah, C., Sidhu, A., Ongkudon, C. M., Yon, L. S., et al. (2016) SELEX modifications and bioanalytical techniques for aptamer–target binding characterization, Crit. Rev. Anal. Chem., 46, 521-537, doi: 10.1080/10408347.2016.1157014.
3. Bock, L. C., Griffin, L. C., Latham, J. A., Vermaas, E. H., and Toole, J. J. (1992) Selection of single-stranded DNA molecules that bind and inhibit human thrombin, Nature, 355, 564-566, doi: 10.1038/355564a0.
4. Dolinnaya, N. G., Yuminova, A. V., Spiridonova, V. A., Arutyunyan, A. M., and Kopylov, A. M. (2012) Coexistence of G-quadruplex and duplex domains within the secondary structure of 31-mer DNA thrombin-binding aptamer, J. Biomol. Struct. Dynamics, 30, 524-531, doi: 10.1080/07391102.2012.687518.
5. Spiridonova, V. A., Novikova, T. M., Sizov, V. A., Shashkovskaya, V. S., Titaeva, E. V., et al. (2019) DNA aptamers to thrombin exosite I. structure-function relationships and antithrombotic effects, Biochemistry (Moscow), 84, 1521-1528, doi: 10.1134/S0006297919120113.
6. Russo Krauss, I., Spiridonova, V., Pica, A., Napolitano, V., and Sica, F. (2016) Different duplex/quadruplex junctions determine the properties of anti-thrombin aptamers with mixed folding, Nucleic Acids Res., 44, 983-991, doi: 10.1093/nar/gkv1384.
7. Vorlickova, M., Kejnovska, I., Sagi, J., Renciuk, D., Bednarova, K., et al. (2012) Circular dichroism and guanine quadruplexes, Methods, 57, 64-75, doi: 10.1016/j.ymeth.2012.03.011.
8. Olsen, C. M., and Marky, L. A. (2010) Monitoring the temperature unfolding of G-quadruplexes by UV and circular dichroism spectroscopies and calorimetry techniques, Methods Mol. Biol., 608, 147-158, doi: 10.1007/978-1-59745-363-9_10.
9. Karsisiotis, A. I., Hessari, N. M., Novellino, E., Spada, G. P., Randazzo, A., et al. (2011) Topological characterization of nucleic acid G-quadruplexes by UV absorption and circular dichroism, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 50, 10645-10648, doi: 10.1002/anie.201105193.
10. Tran, P. L., Mergny, J. L., and Alberti, P. (2011) Stability of telomeric G-quadruplexes, Nucleic Acids Res., 39, 3282-3294, doi: 10.1093/nar/gkq1292.
11. Shek, Y. L., Noudeh, G. D., Nazari, M., Heerklotz, H., Abu-Ghazalah, R. M., et al. (2014) Folding thermodynamics of the hybrid-1 type intramolecular human telomeric G-quadruplex, Biopolymers, 101, 216-227, doi: 10.1002/bip.22317.
12. Petraccone, L., Spink, C., Trent, J. O., Garbett, N. C., Mekmaysy, C. S., et al. (2011) Structure and stability of higher-order human telomeric quadruplexes, J. Am. Chem. Soc., 133, 20951-20961, doi: 10.1021/ja209192a.
13. De Rache, A., and Mergny, J. L. (2015) Assessment of selectivity of G-quadruplex ligands via an optimised FRET melting assay, Biochimie, 115, 194-202, doi: 10.1016/j.biochi.2015.06.002.
14. Kwok, C. K., Sherlock, M. E., and Bevilacqua, P. C. (2013) Effect of loop sequence and loop length on the intrinsic fluorescence of G-quadruplexes, Biochemistry, 52, 3019-3021, doi: 10.1021/bi400139e.
15. Mendoza, O., Gueddouda, N. M., Boule, J. B., Bourdoncle, A., and Mergny, J. L. (2015) A fluorescence-based helicase assay: application to the screening of G-quadruplex ligands, Nucleic Acids Res., 43, e71, doi: 10.1093/nar/gkv193.
16. Kreig, A., Calvert, J., Sanoica, J., Cullum, E., Tipanna, R., et al. (2015) G-quadruplex formation in double strand DNA probed by NMM and CV fluorescence, Nucleic Acids Res., 43, 7961-7970, doi: 10.1093/nar/gkv749.
17. Adrian, M., Heddi, B., and Phan, A. T. (2012) NMR spectroscopy of G-quadruplexes, Methods, 57, 11-24, doi: 10.1016/j.ymeth.2012.05.003.
18. Lim, K. W., Ng, V. C., Martin-Pintado, N., Heddi, B., and Phan, A. T. (2013) Structure of the human telomere in Na+ solution: an antiparallel (2+2) G-quadruplex scaffold reveals additional diversity, Nucleic Acids Res., 41, 10556-10562, doi: 10.1093/nar/gkt771.
19. Russo Krauss, I., Pica, A., Merlino, A., Mazzarella, L., and Sica, F. (2013) Duplex-quadruplex motifs in a peculiar structural organization cooperatively contribute to thrombin binding of a DNA aptamer, Acta Crystallogr. D Biol. Crystallogr., 69, 2403-2411, doi: 10.1107/S0907444913022269.
20. Troisi, R., Napolitano, V., Spiridonova, V., Russo Krauss, I., and Sica, F. (2018) Several structural motifs cooperate in determining the highly effective anti-thrombin activity of NU172 aptamer, Nucleic Acids Res., 46, 12177-12185, doi: 10.1093/nar/gky990.
21. Spiridonova, V. A., Barinova, K. V., Glinkina, K. A., Melnichuk, A. V., Gainutdynov, A. A., et al. (2015) A family of DNA aptamers with varied duplex region length that forms complexes with thrombin and prothrombin, FEBS Lett., 589, 2043-2049, doi: 10.1016/j.febslet.2015.06.020.
22. Mendoza, O., Elezgaray, J., and Mergny, J. (2015) Kinetics of quadruplex to duplex conversion, Biochimie, 118, 225-233, doi: 10.1016/j.biochi.2015.09.031.
23. Spiridonova, V. A., Glinkina, K. A., Gainutdinov, A. A., and Arutyunyan, A. M. (2014) Production of thrombin complexes with DNA aptamers containing G-quadruplex and different duplexes, J. Nephrol. Ther., 4, 149-154, doi: 10.4172/2161-0959.1000149.
24. Hardin, C. C., Perry, A. G., and White, K. (2000) Thermodynamic and kinetic characterization of the dissociation and assembly of quadruplex nucleic acids, Biopolymers, 56, 147-194, doi: 10.1002/1097-0282(2000/2001)56:3<147::AID-BIP10011>3.0.CO;2-N.
25. Bončina, M., Lah, J., Prislan, I., and Vesnaver, G. (2012) Energetic basis of human telomeric DNA folding into G-quadruplex structures, J. Am. Chem. Soc., 134, 9657-9663, doi: 10.1021/ja300605n.