Влияние изотопного состава водного окружения на вероятность возникновения открытых состояний в молекуле ДНК Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Влияние изотопного состава водного окружения на вероятность возникновения открытых состояний в молекуле

ДНК

А.А. Елкина1'2, М.И. Дроботенко1, А.А, Свидлов1'2, С.С. Джимак1

1- Кубанский государственный университет, Россия, 350040 Краснодар, ул. Ставропольская, 149 2- ФИЦ Южный научный центр РАН, Россия, 344006 Ростов-на-Дону, просп. Чехова, 41

jimack@mail. ru

Возникновение открытых состояний в молекуле ДНК является облигатным условием, обеспечивающим ее функциональную активность, в том числе облегчающим специфические межмолекулярные ДНК-белковые взаимодействия в процессе транскрипции, фолдинга и репликации. Учитывая, что значительная часть ДНК в эукариотической клетке находится в конденсированном состоянии и связана с гистонами, исследование ее молекулярной динамики in vivo существенно затруднено, поэтому целесообразным представляется изучение открытых состояний в молекуле ДНК с помощью математического моделирования [1]. Последнее удобно для аналитического исследования, так как позволяет изучать ДНК в значительно более длительные временные периоды по сравнению с ее молекулярной динамикой in vivo. Для моделирования процессов расплетения двойной спирали ДНК и образования открытых состояний будем использовать математическую модель, описывающую вращательное движение азотистых оснований вокруг сахаро-фосфатной цепочки молекулы ДНК. При построении такой модели используется аналогия между молекулой ДНК и механической системой, состоящей из двух цепочек взаимосвязанных маятников: вращающимся маятникам соответствуют азотистые основания, а сахаро-фосфатные цепочки молекулы ДНК - упругой нити, к которой прикреплены эти маятники; водородной связи пары комплементарных азотистых оснований эквивалентна упругая связь соответствующих маятников. Поведение такой механической системы, состоящей из n пар маятников, описывается задачей Коши для системы 2n обыкновенных дифференциальных уравнений [2,3].

В докладе представлены данные математического моделирования возникновения открытых состояний между азотистыми основаниями в гене D. melanogaster при замещении атома протия на дейтерий [4]. Установлено, что в физиологическом диапазоне концентраций дейтерия замены протия на дейтерий увеличивают вероятность разрыва связи между комплементарными азотистыми основаниями на 0,22-0,60%, что отражает его способность замедлять скорость считывания генетической информации в процессах транскрипции, тогда как в условиях, ослабляющих силу межспиральных водородных связей в молекуле ДНК, замена атома протия на дейтерий увеличивает частоту возникновения открытых состояний, увеличивая вероятность модификации азотистых оснований при воздействии повреждающих факторов внешней среды.

Работа выполнена при финансовой поддержке Кубанского научного фонда, проект N° МФИ-20.1-36.

[1] А. С. Шигаев, О. А. Пономарёв, В. Д. Лахно Теоретические и экспериментальные исследования открытых состояний ДНК, Математическая биология и биоинформатика 8 (2), С. 553 (2013).

[2] L. V. Yakushevich, L. A. Krasnobaeva, Biophysics 61 (2), 241 (2016).

[3] Basov A., Drobotenko M., Svidlov A., et al. Inequality in the frequency of the open states occurrence depends on single 2H/'H replacement in DNA // Molecules. Volume 25(16), P. 3753. (2020). DOI: 10.3390/molecules25163753

[4] С.С. Джимак, А.А. Свидлов, А.А. Басов и др. Влияние единичных замен протия на дейтерий в молекуле ДНК на возникновение открытых состояний // Биофизика. 63(4), С. 643-647. (2018).