Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ХИМИИ 2499-9962 54567 Общая биофизика General biophysics Общая биофизика Non canonical base pairs & epigenetics Неканонические пары GC и эпигенетика Нечипуренко Ю Д Nechipurenko Y D nech99@mail.ru Семёнов Д А Semyonov D A Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН ru Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences ru Институт биофизики СО РАН ru Institute of Biophysics, Siberian Branch of Russian Academy of Science ru 25 12 2020 25 12 2020 5 4 567 570 20 12 2020 20 12 2020 https://rusjbpc.ru/en/nauka/article/54567/view

В течение последних десяти лет работы в области ЯМР ДНК позволили регистрировать не только канонические Уотсон-Криковские пары в ДНК, но и существующие несколько миллисекунд неканонические пары. Оказалось, что почти все возможные способы, которыми можно соединить нуклеотиды, реализуются при физиологических условиях в обычной ДНК. Мы проанализировали свойства неканонических пар оснований ГЦ и их связь с механохимическим расщеплением ДНК. Предложена гипотеза об участии переходных воббл пар оснований ГЦ (GC wobble) в механизмах механохимического расщепления ДНК и эпигенетических процессах с участием 5-метилцитозина. Гипотеза объясняет увеличение частоты разрывов сахарофосфатного остова ДНК после цитозинов, асимметричный характер этих разрывов и увеличение частоты разрывов CpG после метилирования цитозина. Эпигенетические свойства 5-гидроксиметил-цитозина, 5-формилцитозина и N4-метилцитозина также находят своё объяснение в рамках нашей гипотезы. Появляется представление о том, что регуляторные белки узнают не метильную группу на цитозине, а гораздо более масштабное искажение структуры ДНК, вызванное GC wobble парой. GC wobble пара позволяет объяснить повышенную частоту дезаминирования цитозина, то есть высокую частоту мутаций в регуляторных участках.

Over the past ten years, work in the field of DNA NMR has made it possible to record not only canonical Watson-Crick pairs in DNA, but also non-canonical pairs that exist several milliseconds. It turned out that almost all possible ways to connect nucleotides are realized under physiological conditions in ordinary DNA. Properties of non-canonical GC Base Pairs and their relation with mechanochemical cleavage of DNA are analyzed here. A hypothesis of the involvement of the Transient GC Wobble Base Pairs in the mechanisms of the mechanochemical cleavage of DNA and epigenetic mechanisms with participation of 5-methylcytosine is proposed. The hypothesis explains the increase in the frequency of the breaks of the sugar-phosphate backbone of DNA after cytosine, asymmetric character of these breaks, and an increase in the frequency of breaks in CpG after cytosine methylation . The epigenetic properties of 5-hydroxymethylcytosine, 5-formylcytosine, and N4-methylcytosine are also explained within our hypothesis. There is an idea that regulatory proteins do not recognize the methyl group on the cytosine, but a much larger distortion of the DNA structure caused by the GC Wobble pair. GC Wobble pair allows to explain the increased frequency of cytosine deamination, that is, the high frequency of mutations in regulatory sites.

 эпигенетика GC воббл пары ДНК механохимическое расщепление ДНК таутомерия цитозина переходные неканонические пары оснований mechanochemical cleavage of DNA transient Base Pairs in DNA Wobble Base Pair tautomer 5-methylcytosine molecular basis of epigenetics Работа поддержана Программой фундаментальных исследований государственных академий наук на 2013 - 2020 годы (темы №01201363818 и № 01201363820) и также грантом Президиума РАН по Молекулярной и клеточной биологии.

Nikolova E.N., Goh G.B., Brooks C.L., Al-Hashimi H.M. Characterizing the Protonation State of Cytosine in Transient G•C Hoogsteen Base Pairs in Duplex DNA. J. Am. Chem. Soc., 2013, vol. 135, no. 6766-6769. DOI: 10.1021/ja400994e. Nikolova E.N., Goh G.B., Brooks C.L., Al-Hashimi H.M. Characterizing the Protonation State of Cytosine in Transient G•C Hoogsteen Base Pairs in Duplex DNA. J. Am. Chem. Soc., 2013, vol. 135, no. 6766-6769. DOI: 10.1021/ja400994e. Rangadurai A., Kremser J2., Shi H., Kreutz C., Al-Hashimi H.M. Direct evidence for (G)O6•••H2-N4(C)+ hydrogen bonding in transient G(syn)-C+ and G(syn)-m5C+ Hoogsteen base pairs in duplex DNA from cytosine amino nitrogen off-resonance R1ρ relaxation dispersion measurements. J Magn Reson., 2019, vol. 308, p. 106589. Rangadurai A., Kremser J2., Shi H., Kreutz C., Al-Hashimi H.M. Direct evidence for (G)O6•••H2-N4(C)+ hydrogen bonding in transient G(syn)-C+ and G(syn)-m5C+ Hoogsteen base pairs in duplex DNA from cytosine amino nitrogen off-resonance R1ρ relaxation dispersion measurements. J Magn Reson., 2019, vol. 308, p. 106589. Гроховский С.Л. Специфичность расщепления ДНК ультразвуком. Молекуляр. Биология, 2006, т. 40, с. 317. @@Grokhovskiĭ S.L. The specific cleavage of DNA with ultrasound. Molekuliarnaia biologiia, 2006, vol. 40, pp. 317-325. (In Russ.) Grohovskiy S.L. Specifichnost' rasschepleniya DNK ul'trazvukom. Molekulyar. Biologiya, 2006, t. 40, s. 317. @@Grokhovskiĭ S.L. The specific cleavage of DNA with ultrasound. Molekuliarnaia biologiia, 2006, vol. 40, pp. 317-325. (In Russ.) Гроховский С.Л., Ильичева И.А., Нечипуренко Д.Ю., Панченко Л.А., Полозов Р.В., Нечипуренко Ю.Д. Локальные неоднородности структуры и динамики двухспиральной ДНК: исследование при помощи ультразвука. Биофизика, 2008, т. 53, с. 417-425. @@Grokhovsky S.L., Il’icheva I.A., Nechipurenko D.Y., Panchenko L.A., Polozov R.V., Nechipurenko Y.D. Ultrasonic cleavage of DNA: quantitative analysis of sequence specificity. Biophysics, 2008, vol. 53, p. 250. Grohovskiy S.L., Il'icheva I.A., Nechipurenko D.Yu., Panchenko L.A., Polozov R.V., Nechipurenko Yu.D. Lokal'nye neodnorodnosti struktury i dinamiki dvuhspiral'noy DNK: issledovanie pri pomoschi ul'trazvuka. Biofizika, 2008, t. 53, s. 417-425. @@Grokhovsky S.L., Il’icheva I.A., Nechipurenko D.Y., Panchenko L.A., Polozov R.V., Nechipurenko Y.D. Ultrasonic cleavage of DNA: quantitative analysis of sequence specificity. Biophysics, 2008, vol. 53, p. 250. Нечипуренко Ю.Д., Головкин М.В., Нечипуренко Д.Ю., Ильичева И.А., Панченко Л.А., Полозов Р.В., Гроховский С.Л. Характерные особенности расщепления ДНК ультразвуком. Журнал структурной химии, 2009, т. 50, с. 1040-1047. @@Nechipurenko Yu.D., Golovkin M.V., Nechipurenko D.Yu., Il’icheva I.A.,. Panchenko L.A, Polozov R.V., Grokhovskii S.L. Characteristics of ultrasonic cleavage of DNA. Journal of Structural Chemistry, 2010, vol. 50, pp. 1007-1013. (In Russ.) Nechipurenko Yu.D., Golovkin M.V., Nechipurenko D.Yu., Il'icheva I.A., Panchenko L.A., Polozov R.V., Grohovskiy S.L. Harakternye osobennosti rasschepleniya DNK ul'trazvukom. Zhurnal strukturnoy himii, 2009, t. 50, s. 1040-1047. @@Nechipurenko Yu.D., Golovkin M.V., Nechipurenko D.Yu., Il’icheva I.A.,. Panchenko L.A, Polozov R.V., Grokhovskii S.L. Characteristics of ultrasonic cleavage of DNA. Journal of Structural Chemistry, 2010, vol. 50, pp. 1007-1013. (In Russ.) Grokhovsky S.L., Il’icheva I.A., Nechipurenko D.Yu., Golovkin M.V., Panchenko L.A., Polozov R.V., Nechipurenko Yu.D. Sequence-Specific Ultrasonic Cleavage of DNA Biophysical Journal, 2011, vol. 100, pp. 117-125. Grokhovsky S.L., Il’icheva I.A., Nechipurenko D.Yu., Golovkin M.V., Panchenko L.A., Polozov R.V., Nechipurenko Yu.D. Sequence-Specific Ultrasonic Cleavage of DNA Biophysical Journal, 2011, vol. 100, pp. 117-125. Poptsova M.S., Il'icheva I.A., Nechipurenko D.Y., Panchenko L.A., Khodikov M.V., Oparina N.Y., Polozov R.V., Nechipurenko Y.D., Grokhovsky S.L. Non-random DNA fragmentation in next-generation sequencing. Sci Rep., 2014, vol. 4, p. 4532. Poptsova M.S., Il'icheva I.A., Nechipurenko D.Y., Panchenko L.A., Khodikov M.V., Oparina N.Y., Polozov R.V., Nechipurenko Y.D., Grokhovsky S.L. Non-random DNA fragmentation in next-generation sequencing. Sci Rep., 2014, vol. 4, p. 4532. Нечипуренко Ю.Д., Ильичева И.А., Абдуллаев Э.Т. Урошлев Л.А., Гроховский С.Л. Физические характеристики регуляторных участков генома, эпигенетика и канцерогенез. Актуальные вопросы биологической физики и химии, 2018, т. 3, с. 884-887. @@Nechipurenko Y.D. Il’icheva I.A., Abdullaev E.T., Uroshlev L.A., Grokhovsky S.L. Physico-chemical properties of DNA in regulatory sites of genomes, epigenetics and cancerogenesis Russian Journal of Biological Physics and Chemistry, 2018, vol. 3, pp. 884-887. (In Russ.) Nechipurenko Yu.D., Il'icheva I.A., Abdullaev E.T. Uroshlev L.A., Grohovskiy S.L. Fizicheskie harakteristiki regulyatornyh uchastkov genoma, epigenetika i kancerogenez. Aktual'nye voprosy biologicheskoy fiziki i himii, 2018, t. 3, s. 884-887. @@Nechipurenko Y.D. Il’icheva I.A., Abdullaev E.T., Uroshlev L.A., Grokhovsky S.L. Physico-chemical properties of DNA in regulatory sites of genomes, epigenetics and cancerogenesis Russian Journal of Biological Physics and Chemistry, 2018, vol. 3, pp. 884-887. (In Russ.) Ильичева И.А., Ходыков М.В., Панченко Л.А., Полозов Р.В., Нечипуренко Ю.Д. Ультразвуковое расщепление ДНК: анализ структурно-динамических характеристик регуляторных участков генома и ошибок секвенирования. Биофизика, 2020, т. 65, с. 504-511. @@Il’icheva I.А., Khodikov M. V., Panchenko L.A., Polozov R.V., Nechipurenko Yu.D. Ultrasonic DNA Cleavage: Analysis of Conformational-Dynamic Features of Regulatory Regions in the Genome and Sequencing Errors Biophysics, 2020, vol. 65, pp. 504-511. (In Russ.) Il'icheva I.A., Hodykov M.V., Panchenko L.A., Polozov R.V., Nechipurenko Yu.D. Ul'trazvukovoe rasscheplenie DNK: analiz strukturno-dinamicheskih harakteristik regulyatornyh uchastkov genoma i oshibok sekvenirovaniya. Biofizika, 2020, t. 65, s. 504-511. @@Il’icheva I.A., Khodikov M. V., Panchenko L.A., Polozov R.V., Nechipurenko Yu.D. Ultrasonic DNA Cleavage: Analysis of Conformational-Dynamic Features of Regulatory Regions in the Genome and Sequencing Errors Biophysics, 2020, vol. 65, pp. 504-511. (In Russ.) Uroshlev L.A., Abdullaev E.T., Umarova I.R., Il’icheva I.A., Panchenko L.A., Polozov R.V., Kondrashov F.A., Nechipurenko Y.D., Grokhovsky S.L. A Method for Identification of the Methylation Level of CpG Islands from NGS Data. Sci. Rep., 2020, vol. 10, p. 8635. Uroshlev L.A., Abdullaev E.T., Umarova I.R., Il’icheva I.A., Panchenko L.A., Polozov R.V., Kondrashov F.A., Nechipurenko Y.D., Grokhovsky S.L. A Method for Identification of the Methylation Level of CpG Islands from NGS Data. Sci. Rep., 2020, vol. 10, p. 8635. Semenov D.A. Epigenetic effects of cytosine derivatives are caused by their tautomers in Hoogsteen base pairs. arXiv:1410.6763 Semenov D.A. Epigenetic effects of cytosine derivatives are caused by their tautomers in Hoogsteen base pairs. arXiv:1410.6763 Чуриков Н.А., Чернов Б.К. Голова Ю.Б., Нечипуренко Ю.Д. Параллельные ДНК - возможность существования. Доклады Академии Наук СССР, 1988, т. 303, с. 1254-1258. @@Tchurikov N.A., Chernov B.K., Golova Y.B., Nechipurenko Y.D. Parallel DNA-possibility of existence. In Proc. Acad. Sci. USSR, 1988, vol. 303, pp. 1254-1258. (In Russ.) Churikov N.A., Chernov B.K. Golova Yu.B., Nechipurenko Yu.D. Parallel'nye DNK - vozmozhnost' suschestvovaniya. Doklady Akademii Nauk SSSR, 1988, t. 303, s. 1254-1258. @@Tchurikov N.A., Chernov B.K., Golova Y.B., Nechipurenko Y.D. Parallel DNA-possibility of existence. In Proc. Acad. Sci. USSR, 1988, vol. 303, pp. 1254-1258. (In Russ.) Tchurikov N.A., Chernov B.K., Golova Yu.B., Nechipurenko Yu.D. Parallel DNA: generation of a duplex between two Drosophila sequences in vitro. FEBS Lett., 1989, vol. 257, pp. 415-418. Tchurikov N.A., Chernov B.K., Golova Yu.B., Nechipurenko Yu.D. Parallel DNA: generation of a duplex between two Drosophila sequences in vitro. FEBS Lett., 1989, vol. 257, pp. 415-418. Zeraati M., Langley D.B., Schofield P., Moye A.L., Rouet R., Hughes W.E., Christ D. I-motif DNA structures are formed in the nuclei of human cells. Nature chemistry, 2018, vol. 10, pp. 631-637. Zeraati M., Langley D.B., Schofield P., Moye A.L., Rouet R., Hughes W.E., Christ D. I-motif DNA structures are formed in the nuclei of human cells. Nature chemistry, 2018, vol. 10, pp. 631-637. Semyonov D.A., Nechipurenko Y.D. Non-Canonical GC Base Pairs and Mechanochemical Cleavage of DNA. arXiv:2001.03561 Semyonov D.A., Nechipurenko Y.D. Non-Canonical GC Base Pairs and Mechanochemical Cleavage of DNA. arXiv:2001.03561 Semyonov D.A., Eltsov I.V., Nechipurenko Y.D. A new bias site for epigenetic modifications: How Non-Canonical GC Base Pairs favour Mechanochemical Cleavage of DNA. BioEssay, 2020. DOI: 10.1002/bies.202000051. Semyonov D.A., Eltsov I.V., Nechipurenko Y.D. A new bias site for epigenetic modifications: How Non-Canonical GC Base Pairs favour Mechanochemical Cleavage of DNA. BioEssay, 2020. DOI: 10.1002/bies.202000051.