Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1030110.32607/20758251-2019-11-1-29-37Research ArticlesЭкспериментальные статьиResearch ArticleThermodynamics of the DNA Repair Process by Endonuclease VIIIТермодинамические параметры взаимодействия эндонуклеазы VIII с поврежденной ДНКKladovaO. A.КладоваO. A.
Russian Federation
fedorova@niboch.nsc.ruKuznetsovN. A.КузнецовН. A.
Russian Federation
nikita.kuznetsov@niboch.nsc.ruFedorovaO. S.ФедороваO. С.
Russian Federation
fedorova@niboch.nsc.ruInstitute of Chemical Biology and Fundamental Medicine, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesИнститут химической биологии и фундаментальной медицины СО РАНNovosibirsk State UniversityНовосибирский государственный университет15032019111VOL 11, NO1 (2019)ТОМ 11, №1 (2019)293717012020Copyright ©; 2019, Kladova O.A., Kuznetsov N.A., Fedorova O.S.Copyright ©; 2019, Кладова O.A., Кузнецов Н.A., Федорова O.С.2019Kladova O.A., Kuznetsov N.A., Fedorova O.S.Кладова O.A., Кузнецов Н.A., Федорова O.С.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/10301

In the present work, a thermodynamic analysis of the interaction between endonuclease VIII (Endo VIII) and model DNA substrates containing damaged nucleotides, such as 5,6-dihydrouridine and 2-hydroxymethyl-3-hydroxytetrahydrofuran (F-site), was performed. The changes in the fluorescence intensity of the 1,3-diaza-2-oxophenoxazine (tCO) residue located in the complementary chain opposite to the specific site were recorded in the course of the enzyme-substrate interaction. The kinetics was analyzed by the stopped-flow method at different temperatures. The changes of standard Gibbs free energy, enthalpy, and entropy of sequential steps of DNA substrate binding, as well as activation enthalpy and entropy for the transition complex formation of the catalytic stage, were calculated. The comparison of the kinetic and thermodynamic data characterizing the conformational transitions of enzyme and DNA in the course of their interaction made it possible to specify the nature of the molecular processes occurring at the stages of substrate binding, recognition of the damaged base, and its removal from DNA.

Проведен термодинамический анализ взаимодействия эндонуклеазы VIII (Endo VIII) с модель ными ДНК, содержащими поврежденные нуклеотиды, такие, как 5,6-дигидроуридин и 2-гидроксиметил-3-гидрокситетрагидрофуран (F-сайт). Методом «остановленного потока» при разных температурах с реги страцией изменений интенсивности флуоресценции остатка 1,3-диаза-2-оксофеноксазина, расположенного в комплементарной цепи напротив специфического сайта, проведен анализ кинетики фермент-субстратного взаимодействия. Рассчитаны изменения стандартной свободной энергии Гиббса, энтальпии и энтропии для последовательных стадий ферментативного процесса, а также образования переходного состояния в каталитической стадии. Совокупный анализ кинетических и термодинамических данных о конформационных превращениях фермента Endo VIII и ДНК, протекающих в ходе их взаимодействия, позволил дета лизировать природу молекулярных процессов, происходящих на стадиях связывания субстрата, узнавания поврежденного основания и его удаления из ДНК.

thermodynamicspre-steady-state kineticskinetic mechanismDNA glycosylaseДНК-гликозилазакинетический механизмпредстационарная кинетикатермодинамикаThis work was supported by budget funding (No. VI.57.1.2, 0309-2016-0001). Using the funds of the Russian Science Foundation grant No. 18-14-00135, a pre-stationary kinetic analysis of the interaction of the enzyme with DNA substrates was performed.Работа выполнена при поддержке бюджетного финансирования (№ VI.57.1.2, 0309-2016-0001). За счет средств гранта РНФ № 18-14-00135 выполнен предстационарный кинетический анализ взаимодействия фермента c ДНК-субстратами.[1] Jiang D., Hatahet Z., Melamede R.J., Kow Y.W., Wallace S.S. // J. Biol. Chem. 1997, V.272, №51, P.32230-32239[2] Melamede R.J., Hatahet Z., Kow Y.W., Ide H., Wallace S.S. // Biochemistry. 1994, V.33, №5, P.1255-1264[3] Burgess S., Jaruga P., Dodson M.L., Dizdaroglu M., Lloyd R.S. // J. Biol. Chem. 2002, V.277, №25, P.2938-2944[4] Kropachev K.Y., Zharkov D.O., Grollman A.P. // Biochemistry. 2006, V.45, P.12039-12049[5] Golan G., Zharkov D.O., Feinberg H., Fernandes A.S., Zaika E.I., Kycia J.H., Grollman A.P., Shoham G. // Nucleic Acids Research 2005, V.33, №15, P.5006-5016[6] Zharkov D.O., Golan G., Gilboa R., Fernandes A.S., Gerchman S.E., Kycia J.H., Rieger R.A., Grollman A.P., Shoham G. // EMBO J. 2002, V.21, №4, P.789-800[7] Kuznetsov N.A., Koval V.V., Zharkov D.O., Fedorova O.S. // DNA Repair. 2012, V.11, №11, P.884-891[8] Kuznetsova A.A., Kuznetsov N.A., Vorobjev Y.N., Barthes N.P.F., Michel B.Y., Burger A., Fedorova O.S. // PLoS One. 2014, V.9, №6, e100007[9] Kladova O.A., Kuznetsova A.A., Fedorova O.S., Kuznetsov N.A. // Genes (Basel). 2017, V.8, №5, P.1-13[10] // Fasman G.D. Handbook of Biochemistry and Molecular Biology. 3rd Ed. // Fasman G.D. Handbook of Biochemistry and Molecular Biology. 3rd Ed.// Cleveland: CRC Press, 1975. 1975[11] Gill S.C., von Hippel P.H. // Anal. Biochem. 1989, V.182, P.319-326[12] Kuzmic P. // Anal. Biochem. 1996, V.237, P.260-273[13] Yakovlev D.A., Kuznetsova A.A., Fedorova O.S., Kuznetsov N.A. // Acta Naturae. 2017, V.9, №1, P.88-98[14] Kuznetsova A.A., Iakovlev D.A., Misovets I.V., Ishchenko A.A., Saparbaev M.K., Kuznetsov N.A., Fedorova O.S. // Mol. Biosyst. 2017, V.13, №12, P.2638-2649[15] Kuznetsov N.A., Kiryutin A.S., Kuznetsova A.A., Panov M.S., Barsukova M.O., Yurkovskaya A.V., Fedorova O.S. // J. Biomol. Struct. Dyn. 2017, V.35, №5, P.950-967[16] Miroshnikova A.D., Kuznetsova A.A., Vorobjev Y.N., Kuznetsov N.A., Fedorova O.S. // Mol. BioSyst. 2016, V.12, №5, P.1527-1539[17] Atkins P., Paula J. // Atkins’ Physical Chemistry. 8th Ed. Oxford university press, 2006. 2006[18] Ragone R., Colonna G., Ambrosone L. // J. Phys. Chem. 1995, V.99, №34, P.13050[19] Kuznetsov N.A., Vorobjev Y.N., Krasnoperov L.N., Fedorova O.S. // Nucleic Acids Research 2012, V.40, №15, P.7384-7392[20] Kuznetsov N.A., Kuznetsova A.A., Vorobjev Y.N., Krasnoperov L.N., Fedorova O.S. // PLoS One. 2014, V.9, №6, e98495[21] Miroshnikova A.D., Kuznetsova A.A., Kuznetsov N.A., Fedorova O.S. // Acta Naturae. 2016, V.8, №1, P.103-110[22] Kladova O.A., Krasnoperov L.N., Kuznetsov N.A., Fedorova O.S. // Genes (Basel). 2018, V.9, №4, P.E190[23] Kuznetsov N.A., Fedorova O.S. // Biochem. 2016, V.81, №10, P.1136-1152