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藤本武,中野修一,三吉大辅,杉本直树, "分子拥挤对具有基本位的g -四羧基复合物结构和稳定性的影响",核酸杂志, 卷。2011, 文章的ID857149, 9 页面, 2011. https://doi.org/10.4061/2011/857149
分子拥挤对具有基本位的g -四羧基复合物结构和稳定性的影响
摘要
细胞环境因素和化学修饰都严重影响核酸的性质。然而,在模拟细胞分子拥挤条件下,含有基本位点的DNA的结构和稳定性尚不清楚。在这里,我们研究了分子拥挤效应对结构和稳定性的g -四环包括一个单一的基础位置。圆二色性结构分析表明,PEG200的分子拥挤并不影响g -四链结构的拓扑结构,无论是否有基本位点。热力学分析进一步证明,g -四链的稳定程度降低的分子拥挤与取代一个基本位置的鸟嘌呤。值得注意的是,我们发现分子拥挤效应对g -四重体形成的焓变有一个线性关系的基础位置效应取决于其位置。这些结果对模拟细胞条件下具有基本位点的g -四复合物的结构和稳定性具有指导意义。
1.介绍
生物分子已经进化为活细胞内的功能,其含有各种大分子,包括核酸,蛋白质,多糖和代谢物。这些分子使细胞内环境极其拥挤;总体积的20-40%由生物分子物理占据[1- - - - - -5].有报道称,分子拥挤是决定蛋白质和核酸结构、稳定性和功能的关键因素[6- - - - - -18].由于这一重要性,分子拥挤效应对DNA双链、三链、g -四链和其他结构的结构和稳定性进行了研究[9- - - - - -18].这些研究表明,分子挤出效应取决于核酸结构中碱基氢键的模式。由Watson-Crick碱基对组成的DNA双链体和三重合成的稳定性通过分子挤出减少[11- - - - - -13].相反,分子聚集稳定了由Hoogsteen碱基对形成的DNA三复合物和四复合物[13,14,17].这些结果表明,在分子拥挤条件下,可以诱导非典型DNA结构的形成,如三丛和四丛。此外,最近的一项研究表明,由非标准碱基对和三级相互作用组成的核酶的RNA切割活性因分子拥挤而增强[18].这些结果表明,核酸的非标准结构可以通过分子拥挤来稳定,从而导致活细胞的功能和结构的多态性。事实上,人们现在普遍认为核酸的非正则结构,特别是g -四丛,在各种生物系统中起着重要作用[19- - - - - -21].
g -四重复合体是由富鸟嘌呤序列的分子间或分子内结合形成的,形成四个Hoogsteen碱基配对共平面鸟嘌呤,这种结构称为g -四重平面[22].生物信息学研究表明,人类基因组中有超过37万个富含鸟嘌呤的序列[19,23].重要的是,这些鸟嘌呤丰富的序列富集在重要的基因组区域,包括致癌基因启动子区域、短和长小卫星重复序列、核糖体dna、免疫球蛋白重链开关区域和端粒区域[23- - - - - -29].在端粒DNA中可以看到,与这些富鸟嘌呤序列相关的各种生物事件应该受到g -四重蛋白形成的调控,从而使DNA g -四重蛋白成为癌症治疗的重要靶点[30.- - - - - -33].值得注意的是,有报道称端粒DNA的功能也会受到DNA损伤的影响[34].基因组DNA最常见的病变是碱基位点(apurinic/ apyrimidic (AP)位点),主要由水解形成n核苷酸的糖苷键[35- - - - - -37].最近,Esposito等人和Školáková等人分别独立报道了基础位点对g -四环结构和稳定性的影响[38,39].他们都发现,溶液成分以及基本位点的位置对g -四环的结构和稳定性很重要。然而,在分子拥挤条件下,基础位点对g -四环的结构和稳定性的影响尚不清楚。
在本研究中,我们研究了分子拥挤效应对g -四元复合物的结构和稳定性,包括一个单一的基础位点。我们发现,g -四链的稳定程度通过分子拥挤降低了一个基本位置取代一个鸟嘌呤。此外,分子拥挤效应对具有基位的g -四羧基的热力学影响取决于基位的位置。通过比较g -四络合物形成过程中分子拥挤效应和基位效应对焓变的影响,我们发现分子拥挤效应对焓变的影响随基位效应的增加而线性减小。这些结果表明,分子拥挤对g -四羧酸盐热力学的影响是由形成过程中的焓变决定的,而焓变取决于基位的位置。这些结果对模拟细胞条件下具有基本位点的g -四复合物的结构和稳定性具有指导意义。
2.材料和方法
2.1.材料
采用常规固相合成方法合成了具有碱性位点的DNA寡核苷酸。对于碱性位点,dSpacer CE磷脒酸(5 ' - o -二甲氧基三甲苯-1 ',2 ' -二脱氧核苷-3 ' -[(2-氰乙基)-(N,N-二异丙基)]-磷脒酸)(GLEN, Sterling, VA)被使用。经C18色谱柱和聚丙烯酰胺凝胶(丙烯酰胺:双(丙烯酰胺)= 19:1)纯化,7 M尿素电泳,纯度为95%。无基础位点的DNA寡核苷酸为高效液相色谱(HPLC)级,购自北海道系统科学(札幌,日本)。使用岛津1700分光光度计(日本京都)连接热编码器,在260 nm高温下测定DNA寡核苷酸的单链浓度。单链消光系数由单核苷酸和二核苷酸数据使用最近邻近似计算[40,41].
2.2.结构分析
使用JASCO J-820偏振分光计(日本Hachioji)在4°C下用0.1厘米的路径长度刮匙测量20°C的圆二色(CD)光谱μM总链DNA浓度在100 mM NaCl, 50 mM Tris-HCl (pH 7.0)和1 mM Na的缓冲液中2EDTA: 0 wt% (0 mol L−1)和40 wt% (2 mol L−1PEG200(平均分子量为200的聚乙二醇)。CD光谱是通过在200 ~ 350 nm范围内进行至少三次扫描的平均得到的。用JASCO PTC-348温度控制器调节细胞固定器的温度,用恒定的干N流冲洗试管固定器2气体,以避免水凝结在试管外部。测量前,将样品加热到80°C,以2°C min的速度缓慢冷却−1, 4°C孵育1 h。
2.3.热力学分析
通过配备有温度控制器的Shimadzu 1700分光光度计(京都,日本)测量DNA寡核苷酸的UV吸光度。在295nm下测量G-quadruples的UV熔化曲线,其中G-四边形显示出低色转变[42].所有实验均在100 mM NaCl、50 mM Tris-HCl (pH 7.0)和1 mM Na的缓冲液中进行2EDTA: 0 wt% (0 mol L−1)和40 wt% (2 mol L−1) PEG200。加热速率为0.5°C min−1.热力学参数()是根据熔化曲线(至少有四种不同浓度的DNA)与前面描述的分子内缔合双态模型的理论方程的拟合来计算的[41].热力学参数为曲线拟合分析得到的平均值。测量前,将样品加热到80°C,以2°C min的速度缓慢冷却−1,并在0°C下孵育1小时。
2.4.水分活度测量
用5520XR型压力渗透仪(Wescor, Utah, USA)通过气相渗透法通过渗透应力法测定水活度。为了计算不同浓度PEG200的水活度,我们假设PEG200不与DNA相互作用[11,12].
3.结果与讨论
3.1.序列设计
我们使用人类端粒DNA序列(dA(G3.T2一)3.G3.),因为先前的研究报道,该序列在钠存在时折叠成一个分子内的反平行g -四链+(图1(一)) [43].为了了解分子挤出对G-Quadreplees与脱脂位点的结构和稳定性的影响,我们设计和合成了用单一饮跃的位点而不是鸟嘌呤基地的人体端粒体DNA序列。本研究中使用的DNA序列及其缩写列于表中1.数字1 (b)显示了在Na存在下AP-0的反平行g -四重体结构示意图+[43].当第一个鸟嘌呤位于g -四重奏平面顶端时,AP-1、AP-6和AP-7包含g -四重奏平面顶端的基位。AP-2、AP-5、AP-8、AP-11包含g四平面中间的基础位。AP-3、AP-4、AP-9、AP-10包含g四平面底部的基本位。通过比较这些序列,可以系统地研究在不同位置包含一个基本位点的g -四链的分子拥挤效应。
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| ø表示基本站点。 |
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(一)
(b)
3.2.有或没有基本位点的DNA序列的分子拥挤效应
通过CD光谱初步研究了DNA序列的折叠拓扑结构。数字2(一个)在0 wt% PEG200稀释条件下,AP-0、AP-1、AP-2和AP-3在100 mM NaCl缓冲液中的CD谱图。AP-0的CD光谱在295 nm和260 nm处分别出现正峰和负峰。这张CD谱表明形成了一个反平行的g -四重体[43],这与之前的NMR研究一致,即AP-0在Na存在时形成分子内的反平行g -四重体+(图1(一)) [39].AP-1、AP-2和AP-3的CD光谱也分别在295 nm和260 nm附近出现了正峰和负峰,也显示了反平行g -四重体的形成。进一步观察AP-0、AP-1、AP-2和AP-3在含有40% wt% PEG200的分子拥挤条件下的典型反平行g - 4复合物的CD谱(图)2 (b)).我们选择40% wt% PEG200作为分子拥挤条件,因为在活细胞内,20 - 40% wt%的总体积被生物分子物理占据[1- - - - - -5].此外,当PEG200浓度超过40%时,也会引起DNA的缩合。此外,在0 wt%和40 wt% PEG200条件下,所有DNA序列的CD谱与AP-0几乎相同(见补充材料中的图S1)http://dx.doi.org/10.4061/2011/857149(AP-4 ~ AP-11的CD谱),结果表明,无论是在稀释条件下还是在分子拥挤条件下,所有的DNA序列都能形成反平行的g -四链。这些结果表明,分子拥挤没有改变g -四链的折叠拓扑结构。另一方面,DNA序列的CD强度也各不相同,表明反平行g -四链的叠加作用的丧失取决于基位的位置。
(一)
(b)
3.3.分子拥挤效应对有或无基本位g -四元复合物热力学的影响
由于所有序列在稀释和分子拥挤条件下折叠成反平行的g -四络合物,我们进一步尝试评估分子拥挤对有或没有基本位的g -四络合物热力学的影响。数字3(一个)在295 nm处显示了AP-0 (0 wt%)和PEG200 (40 wt%)的归一化UV熔化曲线。观察到低色转变,表明这些熔化行为对应于g -四重复合体的分离[42].此外,在任何序列的熔化和退火曲线之间都没有观察到迟滞现象(数据未显示),这表明g -四能级的双态跃迁。熔化温度(在0 wt%和40 wt% PEG200时,AP-0的温度分别为58.1°C和66.9°C2).的AP-1、AP-2和AP-3在0 wt%时的值分别为52.2℃、44.2℃和50.0℃。在40 wt% PEG200时DNA序列值分别为61.9℃、53.2℃和57.2℃。此外,在0 wt%和40 wt% PEG200时,AP-4至AP-11的DNA序列值列于表中2.所有的DNA序列显示更高与0 wt% PEG200相比,40 wt% PEG200。这些结果表明,无论是否有基本位点,分子拥挤都能稳定g -四链。
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| 一个误差值的计算方法见[44]. b 熔点是20吗μM总链浓度。 c . d (表示1到11的数字)。 |
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(一)
(b)
(c)
(d)
自由能值在37°C时变化(在0 wt%和40 wt% PEG200的g -四重体地层中进行了进一步评估,列于表中2.此外,我们评估了天然AP-0和改性AP-1在10、20和30 wt% PEG200以及0和40 wt% PEG200条件下的g -四重体的热力学稳定性,研究了g -四重体()及水分活度()(图4).图中显示了g -四重体()随的增加而线性下降.因此,斜率近似等于结构形成时释放的水分子数[12].AP-0和AP-1形成g -四联体后释放的水分子数分别为74.7和56.8。这些结果与之前关于g -四络合物形成的水分子数量的报道一致[12,15].值得注意的是,这种线性关系和表明与g -四重体的共溶质和阳离子结合不显著。我们以前使用各种中性共溶质来诱导分子拥挤条件,并研究共溶质与DNA链之间的直接相互作用[11,12].我们发现,在静脉位置中的羟基中具有较少的羟基的辅助溶性导致更多的水分子在形成G-quadreply中释放。从这些结果来看,可以考虑通过调节DNA分子的水合来影响G-Quadreplex的热力学。另一方面,据报道,PEG与DNA链之间的直接相互作用是热力学上不利的[45].因此,似乎与含较少羟基的共溶体(如PEG)的间接相互作用会影响DNA结构的水化。这些结果表明,分子拥挤对有或没有碱基位的g -四链结构的稳定作用是由于PEG200的加入引起的水化变化。
基于,我们进一步估计了分子挤在一起的影响:.的价值AP-0为−2.3千卡mol−1.这个负数定量表明,分子拥挤使天然g -四链稳定,这与以往分子拥挤对反平行g -四链稳定性影响的研究一致[46].通过比较适用于AP-0(-2.3 kcal mol−1)与AP-1〜AP-11的那些(-1.1 kcal mol−1~ - 1.9千卡mol−1),我们发现分子拥挤的稳定程度被一个基本位点的引入所降低。此外,我们发现在g -四重奏平面中间有基本位点的g -四重奏的分子拥挤稳定效果最大(见图)1 (b)).的平均值对于AP-2(−1.5千卡摩尔−1), AP-5(−1.7千卡摩尔−1)、AP-8(−1.8千卡摩尔−1)和AP-11(−1.9千卡摩尔−1)估计为−1.7千卡mol−1,其量级大于在g四平面顶端具有基本位的AP-1、AP-6或AP-7(−1.5千卡摩尔)−1AP-3、AP-4、AP-9和AP-10在g四平面底部(−1.3千卡摩尔)有基本位−1).这些结果表明,基本位的位置对g -四重体热力学的分子拥挤效应有重要影响。
当PEG200浓度从0 wt%增加到40 wt%时,)对于G-Quadreple的AP-0更有利,从-47.9至-62.1kcal mol减小−1,熵在37°C时变化()更有利,从−44.8降至−56.8千卡mol−1.同样的,和随着PEG浓度从0 wt%增加到40 wt%, g -四重体形成的AP-1、AP-2和AP-3的值降低。这些变化表明,分子拥挤促进g -四重体的形成是由于有利的焓贡献超过了不利的熵贡献。分子拥挤对g -四链的焓稳定作用与先前的报道一致,这些报道显示了分子拥挤对形成反平行g -四链的凝血酶结合适体的稳定作用[12,15].此外,这些结果表明,分子拥挤对g -四羧基热力学的焓贡献取决于基位的位置。
3.4.碱基位置对DNA g -四元复合物热力学的影响
为了了解ABASIC现场如何调节对G-四边形热力学的分子挤出效应,我们将非碳化(AP-0)的热力学稳定性与稀释条件下的未掺杂(AP-0)和改性的G-Quadreples(AP-1〜AP-11)进行了比较.AP-0的热力学稳定性高于AP-1〜AP-11的热力学稳定性(表2).这些参数与之前的研究中所报道的g - 4复合体的基本位点失稳一致[39].脱脂现场效应定量评估如下:(从1到11)。例如,在0 wt% PEG200时为1.2千卡摩尔−1.此外,我们发现在g四平面(AP-2、AP-5、AP-8和AP-11)中间的基础位g四平面中最大。估计其平均值为3.2千卡摩尔−1而AP-1、AP-6和AP-7在g四平面顶端(1.7千卡摩尔)具有基本位−1),大于在g四平面底部具有基本位的AP-3、AP-4、AP-9、AP-10(2.4千卡摩尔)−1).这些结果表明,基位的位置显著影响基位效应对g -四重体热力学的影响。有趣的是,这个顺序与也就是说,对不同位置的脱脂位点稳定G样分的分子挤出效应。而且,比较价值和AP-1〜AP-11表明,由于不利的焓变化,AP-Quadruplees的稳定化是由于不利的焓变化。此外,价值观也取决于基础场地的位置。因此,g -四羧基的焓变可能与分子拥挤效应对g -四羧基热力学的影响有关。
3.5.分子拥挤与基本位置效应对g -四羧基热力学的关系
我们发现,g -四络合物的稳定是由分子拥挤引起的,而g -四络合物的稳定是由基本位点引起的,这分别是由有利的焓变和不利的焓变引起的。为了了解分子拥挤效应取决于基本位的位置的可能机制,我们比较了分子拥挤和基本位效应对g -四重体形成的焓变的影响。数字5显示了分子拥挤效应对g -四羧基形成的焓变的影响与基本位置对稀释条件下g -四重体生成焓变化的影响{,在那里表示1 ~ 11}。由图可知,随着基位对焓变的影响增大,分子拥挤效应对不同位置含基位的g -四羧基形成焓变的影响线性减小。负斜率表明,具有更不利的焓变的基位诱导的g -四重体更焓稳定的分子拥挤。有趣的是,斜率约为−1。这种焓变化之间的补偿关系表明,分子拥挤可以恢复由基位引起的不利焓损失,这可能有助于在分子拥挤条件下保持具有基位的g -四链结构。
Olsen等人报道,环中的碱取代导致g -四重体的热稳定性降低,这可以用g -四重体上的堆叠环和环内的碱基堆积以及它们的整体水合贡献来解释[15].此外,对于带有碱基位点的DNA双链,由于取代碱基与相邻碱基之间的堆叠构象和能量不同,其失稳取决于相邻碱基[47- - - - - -49].因此,由于局部堆积能的改变,分子拥挤效应对含单一基位的g -四元化合物热力学的影响可能取决于基位的位置。然而,对于不同拓扑结构下g -四羧基环区碱基置换的研究仍需进一步深入。与双工质相比,基位对g -四工质热力学的影响很大程度上取决于叠加位置。这种依赖性可以在g -四丛的结构和热稳定性上创造一种多态性,这应该会影响与鸟嘌呤丰富的DNA序列相关的生物系统。然而,这里得到的定量结果表明,分子聚集可以降低这种风险。这种缓冲效应减少生物分子对延长刺激的反应,被认为是分子聚集维持细胞内稳态的重要功能之一[50].
4.结论
我们研究了分子拥挤对g -四丛结构和稳定性的影响。CD谱表明,分子聚集不影响g -四羧基的拓扑结构。另一方面,紫外熔融分析表明,分子拥挤对g -四羧基的热力学稳定性的影响取决于基位的位置。此外,系统比较了分子拥挤和基位对热力学参数的影响,结果表明,随着基位效应的增加,不同位置基位的g -四络合物形成过程中,分子拥挤对焓变的影响呈线性减小。这种代偿关系表明,分子聚集在维持细胞中具有基本位点的g -四重结构中起着重要作用。
承认
这项工作得到了日本教育、文化、体育、科学技术省的科学研究补助金和“核心研究”项目(2009-2014年)的部分支持,科南大学学术研究协会的Hirao Taro基金会,日本化学工业协会长期研究计划项目。
补充材料
补充材料可以突出AP-的CD光谱X(X= 4 ~ 11)。
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