Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1074310.32607/20758251-2010-2-1-36-52ArticlesСтатьиReview ArticleSelectivity of Enzymatic Conversion of Oligonucleotide Probes during Nucleotide Polymorphism Analysis of DNSelectivity of Enzymatic Conversion of Oligonucleotide Probes during Nucleotide Polymorphism Analysis of DNVinogradovaO APyshnyiD VInstitute of Chemical Biology and Fundamental Medicine, Siberian Division, Russian Academy of Sciences1503201021VOL 2, NO1 (2010)ТОМ 2, №1 (2010)365217012020Copyright ©; 2010, Vinogradova O.A., Pyshnyi D.V.Copyright ©; 2010, Vinogradova O.A., Pyshnyi D.V.2010Vinogradova O.A., Pyshnyi D.V.Vinogradova O.A., Pyshnyi D.V.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/10743

The analysis of DNA nucleotide polymorphisms is one of the main goals of DNA diagnostics. DNA-dependent enzymes (DNA polymerases and DNA ligases) are widely used to enhance the sensitivity and reliability of systems intended for the detection of point mutations in genetic material. In this article, we have summarized the data on the selectiveness of DNA-dependent enzymes and on the structural factors in enzymes and DNA which influence the effectiveness of mismatch discrimination during enzymatic conversion of oligonucleotide probes on a DNA template. The data presented characterize the sensitivity of a series of DNA-dependent enzymes that are widely used in the detection of noncomplementary base pairs in nucleic acid substrate complexes. We have analyzed the spatial properties of the enzyme-substrate complexes. These properties are vital for the enzymatic reaction and the recognition of perfect DNA-substrates. We also discuss relevant approaches to increasing the selectivity of enzyme-dependent reactions. These approaches involve the use of modified oligonucleotide probes which “disturb” the native structure of the DNA-substrate complexes.

complexesmismatchselectivityDNA ligaseDNA polymerasemodified oligonucleotide probesRocha D., Gut I., Jeffreys A.J., et al. // Hum. Genet. 2006. V. 119. № 4. P. 451-456.Newton C.R., Graham A., Heptinstall L.E., et al. // Nucleic Acids Res. 1989. V. 17. № 7. Р. 2503-2516.Huang M.M., Arnheim N., Goodman M.F. // Nucleic Acids Res. 1992. V. 20. № 17. P. 4567-4573.Wu D.Y., Wallace R.B. // Genomics. 1989. V. 4. № 4. P. 560-569.Barany F. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1991. V. 88. № 1. P. 189-193.Liu Q., Thorland E.C., Heit J.A., Sommer S.S. // Genome Res. 1997. V. 7. № 4. P. 389-398.Chen X., Zehnbauer B., Gnirke A., Kwok P.Y. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1997. V. 94. № 20. P. 10756-10761.Hu Y.W., Balaskas E., Kessler G., et al. // Nucleic Acids Res. 1998. V. 26. № 21. P. 5013-5015.Pyshnyi D.V., Skobel’tsyna L.M., Gushchina E.N., et al. // Mol. Biol. (Mosk). 2000. V. 34. № 6. P. 984-997Deng J.Y., Zhang X.E., Mang Y., et al. // Biosens. Bioelectron. 2004. V. 19. № 10. P. 1277-1283.Girigoswami A., Jung C., Mun H.Y., Park H.G. // J. Biochem. Biophys. Methods. 2008. V. № 6. P. 897-902.Abravaya K., Carrino J.J., Muldoon S., Lee H.H. // Nucleic Acids Res. 1995. V. 23. № 4. Р. 675-682.Pyshnaya I.A., Vinogradova O.A., Kabilov M.R., Ivanova E.M., Pyshnyi D.V. // Biochemistry (Mosc). 2009. V. 74. № 9. P. 1009-1020.Kwok S., Kellogg D.E., McKinney N., et al. // Nucleic Acids Res. 1990. V. 18. № 4. Р. 999-1005.Ayyadevara S., Thaden A.A., Reis R.J.S. // Anal. Biochem. 2000. V. 284. № 1. Р. 11-18.Thweatt R., Goldstein S., Reis R.J.S. // Anal. Biochem. 1990. V. 190. № 2. Р. 314-316.Suss B., Flekna G., Wagner M., Hein I. // J. Microbiol. Methods. 2009. V. 76. № 3. Р. 316-319.Liang P., Pardee B.A. // Science. 1992. V. 257. № 5 072. Р. 967-971.Christopherson C., Sninsky J., Kwok S. // Nucleic Acids Res. 1997. V. 25. № 3. Р. 654-658.Bru D., Martin-Laurent F., Philippot L. // Appl. Environ. Microbiol. 2008. V. 74. № 5. Р. 1660-1663.Day J.P., Bergstrom D., Hammer R.P., Barany F. // Nucleic Acids Res. 1999. V. 27. № 8. P. 1810-1818.Petruska J., Goodman M.F., Boosalis M.S., et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1988. V. № 17. Р. 6252-6256.Mendelman L.V., Petruska J., Goodman M.F. // J. Biol. Chem. 1990. V. 265. № 4. Р. 2338-2346.Tong J., Cao W., Barany F. // Nucleic Acids Res. 1999. V. 27. № 3. Р. 788-794.Pritchard C.E., Southern E.M. // Nucleic Acids Res. 1997. V. 25. № 17. Р. 3403-3407.Housby J.N., Southern E.M. // Nucleic Acids Res. 1998. V. 26. № 18. Р. 4259-4266.James K.D., Boles A.R., Henckel D., Ellington A.D. // Nucleic Acids Res. 1998. V. 26. № 22. Р. 5203-5211.Harada K., Orgel L. // Nucleic Acids Res. 1993. V. 21. № 10. Р. 2287-2291.Sriskanda V., Shuman S. // Nucleic Acids Res. 1998. V. 26. № 15. Р. 3536-3541.Luo J., Bergstrom D.E., Barany F. // Nucleic Acids Res. 1996. V. 24. № 14. Р. 3071-3078.Nakatani M., Ezaki S., Atomi H., Imanaka T. // Eur. J. Biochem. 2002. V. 269. № 2. Р. 650-656.Wu D.Y., Wallace R.B. // Gene. 1989. V. 76. № 2. Р. 245-254.Bhagwat A.S., Sanderson R.J., Lindahl T.S. // Nucleic Acids Res. 1999. V. 27. № 27. Р. 4028-4033.Shuman S. // Biochemistry. 1995. V. 34. № 49. Р. 16138-16147.Lamarche B.J., Showalter A.K., Tsai M.D. // Biochemistry. 2005. V. 44. № 23. Р. 8408-8417.Alexander R.C., Johnson A.K., Thorpe J.A., Gevedon T., Testa S.M. // Nucleic Acids Res. 2003. V. 31. № 12. Р. 3208-3216.Aoi Y., Yoshinobu T., Tanizawa K., Kinoshita K., Iwasaki H. // BioSystems. 1999. V. 52. № 1-3. Р. 181-187.Steitz T.A. // Curr. Opin. Struct. Biol. 1993. V. 3. № 1. Р. 31-38.Delarue M., Poch O., Tordo N., Moras D., Argos P. // Protein Eng. 1990. V. 3. № 6. Р. 461-467.Loh E., Loeb L.A. // DNA Repair. 2005. V. 4. № 12. Р. 1390-1398.Kim Y., Eom S.H., Wang J., et al. // Nature. V. 376. № 6541. P. 612-616.Strerath M., Gloeckner C., Liu D., Schnur A., Marx A. // Chembiochem. 2007. V. 8. № 4. P 395-401.Subramanya H.S., Doherty A.J., Ashford S.R., Wigley D.B. // Cell. 1996. V. 85. № 4. P. 607-615.Doherty A.J., Suh S.W. // Nucleic Acids Res. 2000. V. 28. № 21. Р. 4051-4058.Shuman S. // Structure. 1996. V. 4. № 6. P. 653-656.Martin I.A., MacNeill S.A. // Genome Biol. 2002. V. 3. № 4. Р. 1-7.Pascal J.M., O’Brien P. J., Tomkinson A.E., Ellenberger T. // Nature. 2004. V. 432. № 7016. P. 473-478.Cherepanov A.V., de Vries S. // Eur. J. Biochem. 2002. V. 269. № 24. Р. 5993-5999.Doublie S., Tabor S., Long A.M., Richardson C.C., Ellenberger T. // Nature. 1998. V. 391. № 6664. P. 251-258.Franklin M.C., Wang J., Steitz T.A. // Cell. 2001. V. 105. № 5. Р. 657-667.Li Y., Korolev S., Waksman G. // EMBO J. 1998. V. 17. № 24. P. 7514-7525.Kiefer J.R., Mao C., Braman J.C., Beese L.S. // Nature. 1998. V. 391. № 6664. Р. 304-307.Drew H.R., Wing R.M., Takano T., et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1981. V. 78. № 4. P. 2179-2183.Odell M., Sriskanda V., Shuman S., Nikolov D.B. // Mol. Cell. 2000. V. 6. № 5. Р. 1183-1193.Johnson A., O’Donnell M. // Curr. Biol. 2005. V. 15. № 3. P. R90-R92.Nandakumar J., Nair P.A., Shuman S. // Mol. Cell. 2007. V. 26. № 2. Р. 257-271.Nair P.A., Nandakumar J., Smith P., et al. // Nat. Struct. Mol. Biol. 2007. V. 14. № 8. P. 770-778.Lu X.J., Shakked Z., Olson W.K. // J. Mol. Biol. 2000. V. 300. № 4. Р. 819-840.Seeman N.C., Rosenberg J.M., Rich A. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1976. V. 73. № 3. Р. 804-808.Kunkel T.A., Bebenek K. // Annu. Rev. Biochem. 2000. V. 69. Р. 497-529.Eom S.H., Wang J., Steitz T.A. // Nature. 1996. V. 382. P. 278-281.Hendrickson C.L., Devine K.G., Benner S.A. // Nucleic Acids Res. 2004. V. 32. № 7. Р. 2241-2250.Polesky A.H., Steitz T.A., Grindley N.D.F., Joyce C.M. // J. Biol. Chem. 1990. V. 265. № P. 14579-14591.Polesky A.H., Dahlberg M.E., Benkovic S.J., Grindley N.D.F., Joyce C.M. // J. Biol. Chem. 1992. V. 267. № 12. Р. 8417-8428.Braithwaite D.K., Ito J. // Nucleic Acids Res. 1993. V. 21. № 4. P. 787-802.Doherty A.J., Dafforn T.R. // J. Mol Biol. 2000. V. 296. № 1. P. 43-56.Odell M., Shuman S. // J. Biol. Chem. 1999. V. 274. № 20. Р. 14032-14039.Ng P., Bergstrom D.E. // Nucleic Acids Res. 2004. V. 32. № 13. P. e107.Wang L.K., Nair P.A., Shuman S. // J. Biol. Chem. 2008. V. 283. № 34. Р. 23343-23352.Wang L.K., Zhu H., Shuman S. // J. Biol. Chem. 2009. V. 284. № 13. Р. 8486-8494.Doherty A.J., Serpell L.C., Ponting C.P. // Nucleic Acids Res. 1996. V. 24. № 13. Р. 2488-2497.Shao X., Grishin N.V. // Nucleic Acids Res. 2000. V. 28. № 14. Р. 2643-2650.Liu P., Burdzy A., Sowers L.C. // Nucleic Acids Res. 2004. V. 32. № 15. Р. 4503-4511.Perrino F.W., Preston B.D., Sandell L.L., Loeb L.A. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1989. V. № 21. Р. 8343-8347.McCain M.D., Meyer A.S., Schultz S.S., Glekas A., Spratt T.E. // Biochemistry. 2005. V. № 15. Р. 5647-5659.Spratt T.E. // Biochemistry. 2001. V. 40. № 9. Р. 2647-2652.Morales J.C., Kool E.T. // Biochemistry. 2000. V. 39. № 42. Р. 12979-12988.Thompson E.H., Bailey M.F., van der Schans E.J., Joyce C.M., Millar D.P. // Biochemistry. 2002. V. 41. № 3. Р. 713-722.Minnick D.T., Bebenek K., Osheroff W.P., et al. // J. Biol. Chem. 1999. V. 274. № 5. Р. 3067-3075.Summerer D., Rudinger N.Z., Detmer I., Marx A. // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2005. V. 44. № 30. P. 4712-4715.Feng H. // Acta Biochim. Biophys. Sin. 2007. V. 39. № 8. Р. 608-616.Feng H., Parker J.M., Lu J., Cao W. // Biochemistry. 2004. V. 43. № 3 9. Р. 12648-12659.Broude N.E., Sano T., Smith C.L., Cantor C.R. // Proc. Nati. Acad. Sci. USA. 1994. V. 91. Р. 3072-3076.Dubiley S., Kirillov E., Lysov Yu., Mirzabekov A. // Nucleic Acids Res. 1997. V. 25. № 12. P. 2259-2265.Pyshnyi D.V., Krivenko A.A., Lokhov S.G., et al. // Bioorg. Khim. 1998. V. 24. № 1. Р. 32-34. (Russian)Newton C.R., Graham A., Heptinstall L.E., et al. // Nucleic Acids Res. 1989. V. 17. № 7. Р 2503-2516.Cha R.S., Zarbl H., Keohavong P., Thilly W.G. // PCR Methods Appl. 1992. V. 2. № 1. P. 14-20.Rust S., Funke H., Assmann G. // Nucleic Acids Res. 1993. V. 21. № 16. P. 3623-3629.Zykova E.S., Patrushev L.I., Kaiushin A.L., et al. // Bioorg. Khim. 1997. V. 23. № 3. Р. 205-210. (Russian)Zhou G.H., Kamahori M., Okano K., et al. // Nucleic Acids Res. 2001. V. 29. № 19. P. e93.Nielsen P.E. // Curr. Opin. Biotechnol. 2001. V. 12. № 1. P. 16-20.Koshkin A.A., Singh S.K., Nielsen P., et al. // Tetrahedron. 1998. V. 54. № 14. P. 3607-3630.Orum H., Jakobsen M.H., Koch T., Vuust J., Borre M.B. // Clin. Chem. 1999. V. 45. № 11. Р. 1898-1905.Nguyen H.K., Fournier O., Asseline U., Dupret D., Thuong N.T. // Nucleic Acids Res. 1999. V. 27. № 6. P. 1492-1498.Hacia J.G., Woski S.A., Fidanza J., et al. // Nucleic Acids Res. 1998. V. 26. № 21. P. 4975-4982.Guo Z., Liu Q., Smith L.M. // Nat. Biotechnol. 1997. V. 15. № 4. Р. 331-335.Zirvi M., Bergstrom D.E., Saurage A.S., Hammer R.P., Barany F. // Nucleic Acids Res. 1999. V. 27. № 24. Р. e41.Latorra D., Campbell K., Wolter A., Hurley J.M. // Hum. Mutat. 2003. V. 22. № 1. Р. 79-85.Giusto D.A.D., King G.C. // Nucleic Acids Res. 2004. V. 32. № 3. P. e32.Kennedy B., Arar K., Reja V., Henry R.J. // Anal. Biochem. 2006. V. 348. № 2. Р. 294-299.Ballantyne K.N., van Oorschot R.A.H., Mitchell R.J. // Genomics. 2008. V. 91. № 3. Р. 301-305.Strand H., Ingebretsen O.C., Nilssen O. // Clin. Chim. Acta. 2008. V. 390. № 1-2. Р. 126-133.Koizumi M., Morita K., Takagi M., Yasumo H., Kasuya A. // Anal. Biochem. 2005. V. 340. № 2. Р. 287-294.Petersen M., Nielsen C.B., Nielsen K.E., et al. // J. Mol. Recognit. 2000. V. 13. № 1. Р. 44-53.Summerer D., Marx A. // J. Am. Chem. Soc. 2002. V. 124. № 6. Р. 910-911.Tews B., Wilhelm J., Summerer D., et al. // Biol. Chem. 2003. V. 384. № 10-11. P. 1533-1541.Strerath M., Gaster J., Marx A. // Chembiochem. 2004. V. 5. № 11. Р. 1585-1588.Strerath M., Gaster J., Summerer D., Marx A. // Chembiochem. 2004. V. 5. № 3. Р. 333-339.Kranaster R., Marx A. // Chemistry. 2007. V. 13. № 21. Р. 6115-6122.Zhang J., Li K. // Mol. Biotechnol. 2003. V. 25. № 3. P. 223-227.Yanga H.L., Jiang H.J., Fang W.Y., et al. // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2005. V. 328. № 1. Р. 265-272.Hu Y.J., Li Z.F., Diamond A.M. // Anal. Biochem. 2007. V. 369. № 1. Р. 54-59.Pyshnyi D.V., Ivanova E.M., Pyshnaya I.A., Zarytova V.F. // Russian Patent Application № 2259402 from 27.08.2005.