Донецк, Россия
В настоящее время не ясен механизм образования горячих и холодных пятен ультрафиолетового мутагенеза. Мной была разработана полимеразно-таутомерная модель механизма образования горячих и холодных пятен ультрафиолетового мутагенеза и было показано, что вероятность образования мутаций зависит от процессов распространения энергии возбуждения по молекуле ДНК. В предложенной мной полимеразно-таутомерной модели ультрафиолетового мутагенеза было показано, что мутации образуются напротив только тех цис-син циклобутановых пиримидиновых димеров, одно или оба основания в которых находятся в редких таутомерных формах. В полимеразно-таутомерной модели механизма образования горячих и холодных пятен ультрафиолетового мутагенеза мной было показано, что горячими пятнами ультрафиолетового мутагенеза являются те цис-син циклобутановые пиримидиновые димеры, на которые передается больше всего энергии возбуждения. В ряде работ мной были рассчитаны относительные вероятности образования мутаций, образовавшиеся напротив оснований ДНК, входящих в состав цис-син циклобутановых пиримидиновых димеров, появившихся при облучении двухцепочечной ДНК гена supF. В данной статье, опираясь на результаты предыдущих расчетов, интерпретируются экспериментальные данные, в которых горячими пятнами ультрафиолетового мутагенеза являются участки ДНК, состоящие из расположенных подряд трех и более пиримидиновых оснований ДНК.
УФ-мутагенез, редкие таутомерные формы оснований ДНК, цис-син циклобутановые пиримидиновые димеры, горячие и холодные пятна ультрафиолетового мутагенеза, передача энергии возбуждения по молекуле ДНК, синглетные уровни оснований ДНК, триплетные уровни оснований ДНК
1. Banyasz A., Vayá I., Changenet-Barret P., Gustavsson T., Douki T., Markovitsi D. Base pairing enhances fluorescence and favors cyclobutane dimer formation induced upon absorption of UVA radiation by DNA. Journal of the American Chemical Society, 2011, vol. 133, no. 14, pp. 5163-5165.
2. Besaratinia A., Yoon J.I., Schroeder C., Bradforth S.E., Cockburn M., Pfeifer G.P. Wavelength dependence of ultraviolet radiation-induced DNA damage as determined by laser irradiation suggests that cyclobutane pyrimidine dimers are the principal DNA lesions produced by terrestrial sunlight. The Federation of American Societies for Experimental Biology Journal, 2011, vol. 25, no. 9, pp. 3079-3091.
3. Hendel A., Ziv O., Gueranger Q., Geacintov N., Livneh Z. Reduced efficiency and increased mutagenicity of translesion DNA synthesis across a TT cyclobutane pyrimidine dimer, but not a TT 6-4 photoproduct, in human cells lacking DNA polymerase η. DNA Repair, 2008, vol. 7, no. 10, pp. 1636-1646.
4. Vasquez-Del C.R., Silverstein T.D., Lone S., Johnson R.E., Prakash L., Prakash S., Aggarwal A.K. Role of human DNA polymerase κ in extension opposite from a cis-syn thymine dimer. Journal of Molecular Biology, 2011, vol. 408, no. 2, pp. 252-261.
5. Lawrence C.W., Banerjee S.K., Borden A., LeClerc J.E. T-T cyclobutane dimers are misinstructive, rather than non-instructive, mutagenic lesions. Molecular and General Genetics, 1990, vol. 222, no. 1, pp. 166-169.
6. Santiago M.J., Alejandre-Durán A., Ruiz-Rubio M. Analysis of UV-induced mutation spectra in Escherichia coli by DNA polymerase η from Arabidopsis thaliana. Mutation Research, 2006, vol. 601, no. 1-2, pp. 51-60.
7. Parris C.N., Levy D.D., Jessee J., Seidman M.M. Proximal and distal effects of sequence context on ultraviolet mutational hotspots in a shuttle vector replicated in xeroderma cells. Journal of Molecular Biology, 1994, vol. 236, no. 2, pp. 491-502.
8. Canella K.A., Seidman M.M. Mutation spectra in supF: approaches to elucidating sequence context effects. Mutation Research, 2000, vol. 450, no. 1-2, pp. 61-73.
9. Taylor J.-S. New structural and mechanistic insight into the A-rule and the instructional and non-instructional behavior of DNA photoproducts and other lesions. Mutation Research, 2002, vol. 510, no. 1, pp. 55-70.
10. Bebenek K., Pedersen L.C., Kunkel T.A. Replication infidelity via a mismatch with Watson-Crick geometry. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2011, vol. 108, no. 5, pp. 1862-1867.
11. Wang W., Hellinga H.W., Beese L.S. Structural evidence for the rare tautomer hypothesis of spontaneous mutagenesis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2011, vol. 108, no. 43, pp. 17644-17648.
12. Данилов В.И., Михалева О.В., Слюсарчук О.Н., Стюарт Дж.Дж., Альдерфер Дж.Л. О новом механизме мутаций, индуцируемых УФ-светом. Теоретическое изучение двухпротонной фототаутомеризации в модельных парах оснований ДНК. Биополимеры и клетка, 1997, т. 13, № 4, c. 261-268.
13. Podolyan Y., Gorb L., Leszczynski J. Ab initio study of the prototropic tautomerism of cytosine and guanine and their contribution to spontaneous point mutations. International Journal of Molecular Sciences, 2003, vol. 4, no. 7, pp. 410-421.
14. Danilov V.I., Anisimov V.M., Kurita N., Hovorun D.M. MP2 and DFT studies of the DNA rare base pairs: the molecular mechanism of spontaneous substitution mutations conditioned by tautomerism of bases. Chemical Physics Letters, 2005, vol. 412, no. 4-6, pp. 285-293.
15. Grebneva H.A. Nature and possible mechanisms formation of potential mutations arising at emerging of thymine dimers after irradiation of double-stranded DNA by ultraviolet light. Journal of Molecule Structure, 2003, vol. 645, pp. 133-143.
16. Grebneva H.A. A model for targeted substitution mutagenesis during SOS replication of double-stranded DNA containing cis-syn cyclobutane thymine dimers. Environmental and Molecular Mutagenesis, 2006, vol. 47, no. 9, pр. 733-745.
17. Гребнева Е.А. Три источника потенциальных немишенных ультрафиолетовых мутаций. Сборник трудов VI Всеукраинской научно-технической конференции. Актуальные вопросы теоретической и прикладной биофизики, физики и химии. Украина, г. Севастополь, 26-30 апреля 2010, c. 15-18.
18. Гребнева Е.А. Природа и механизмы образования горячих и холодных пятен ультрафиолетового мутагенеза. Доклады НАН Украины, 2012, № 10, c. 181-187.
19. Гребнева Е.А. Механизм образования делеций при синтезе ДНК, содержащей цис-син циклобутановые цитозиновые димеры. Материалы VIII Международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы биологической физики и химии», Севастополь, 23-27 апреля 2012, c. 88-90.
20. Гребнева Е.А. Механизмы образования горячих и холодных пятен ультрафиолетовых мишенных мутаций замены оснований. Материалы IX Международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы биологической физики и химии», Севастополь, 23-27 апреля 2013, c. 18-20.
21. Гребнева Е.А. Механизмы мишенных мутаций сдвига рамки считывания – появление инсерций при склонном к ошибкам или SOS синтезе молекулы ДНК, содержащей цис-син циклобутановые тиминовые димеры. Молекулярная биология, 2014, т. 48, № 4, с. 531-542.
22. Grebneva H.A. A polymerase – tautomeric model for targeted frameshift mutations: deletions formation during error-prone or SOS replication of double-stranded DNA containing cis-syn cyclobutane thymine dimers. Journal of Photonic Materials and Technology, 2015, vol. 1, no. 2, pp. 19-26.
23. Гребнева Е.А. Механизмы образования мишенных сложных инсерций при синтезе молекулы ДНК, содержащей цис-син циклобутановые тиминовые димеры. Доклады НАН Украины, 2015, № 5, c. 145-154.
24. Гребнева Е.А. Механизмы образования мишенных инсерций при склонном к ошибкам или SOS-синтезе ДНК, содержащей цис-син циклобутановые тиминовые димеры. Материалы X Международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы биологической физики и химии». Севастополь 17-21 августа 2015, c. 70-74.
25. Гребнева Е.А. Полимеразно-таутомерная модель механизма образования мишенных сложных инсерций при синтезе ДНК, содержащей цис-син циклобутановые тиминовые димеры. Материалы XI Международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы биологической физики и химии» в 2 томах, Севастопольский государственный университет, т. 1, 298 с., Россия, Севастополь 25-29 апреля 2016, c. 156-160.
26. Grebneva H.A. A polymerase-tautomeric model for radiation-induced bystander effects: a model for untargeted substitution mutagenesis during error-prone and SOS replication of double-stranded DNA containing thymine and adenine in rare tautomeric forms. International Journal of Molecular Biology: Open Access, 2017, vol. 2, no. 2, pp. 1-14.
27. Grebneva H.A. A Polymerase-tautomeric model for targeted substitution mutations formation during error-prone and SOS replication of double-stranded DNA, containing cis-syn cyclobutane cytosine dimers. International Journal of Molecular Biology: Open Access, 2016, vol. I, no. 1, pp. 1-16.
28. Grebneva H.A. Polymerase-tautomeric model for ultraviolet mutagenesis: targeted base substitution and frameshift mutations caused by cis-syn cyclobutane thymine dimers. Germany, LAP LAMBERT Academic Publishing, 2017, 132 p.
29. Grebneva H.A. A polymerase-tautomeric model for radiation-induced genomic instability: targeted delayed substitution mutations during error-prone and SOS replication of double-stranded DNA, containing cis-syn cyclobutane cytosine dimers. International Journal of Molecular Biology: Open Access, 2018, vol. 3, pp. 125-141.
30. Grebneva H.A. Paradigm change in mutagenesis: polymerase-tautomeric models for targeted, delayed and untargeted ultraviolet mutagenesis during error-prone and SOS replication of double-stranded DNA, containing cis-syn cyclobutane thymine dimers. International Journal of Molecular Biology: Open Access, 2019, vol. 4, no. 1, pp. 1-15.
31. Гребнева Е.А. Теория тепловой релаксации энергии возбуждения водородных связей в ДНК. Ее вклад в ультрафиолетовый мутагенез. Saarbrucken, Germany. LAP LAMBERT Academic Publishing, 2019, 345 c.
32. Grebneva H.A. Polymerase-tautomeric model for untargeted delayed base substitution mutations formation during error-prone and SOS replication of double-stranded DNA containing thymine and adenine in some rare tautomeric forms. Journal of Oncology Research, 2019, vol. 1, no. 2, pp. 24-37.
33. Grebneva H.A. Polymerase-tautomeric models for A-rule during error-prone and SOS synthesis of DNA containing cis-syn cyclobutane thymine dimers or thymines and adenines in some rare tautomeric forms. Trends in Cell & Molecular Biology, 2019, vol. 14, pp. 51-68.
34. Grebneva H.A. 2020. Polymerase-tautomeric cancer risk model: the formation of 100% mutations is due to exposure to mutagens. Trends in Cell & Molecular Biology, 2020, vol. 15, pp. 13-28.
35. Гребнева Е.А. Метод предсказания относительных вероятностей образования цис-син циклобутановых пиримидиновых димеров и редких таутомерных форм оснований ДНК на любых сайтах двунитевой ДНК. Физика и техника высоких давлений, 2021, т. 31, № 3, с. 88-103.
36. Гребнева Е.А. Процент мутаций, образующихся под воздействием мутагенов. Физика и техника высоких давлений, 2022, т. 32, № 1, с. 101-113.
37. Гребнева Е.А. Полимеразно-таутомерная модель риска образования злокачественных опухолей. Физика и техника высоких давлений, 2022, т. 32, № 4, с. 99-104.
38. Гребнева Е.А. Модель образования горячих и холодных пятен ультрафиолетового мутагенеза на участке двухцепочечной ДНК supF гена. Физика и техника высоких давлений, 2023, т. 33, № 2, с. 101-111.
39. Watson J.D., Grick F.H.C. The structure of DNA. Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology, 1953, vol. 18, pp. 123-131.
40. Hauswirth W., Daniels M. Excited states of the nucleic acids: polymeric forms. Photochemistry and Photobiology of Nucleic Acids, 1976, vol. 1, pp. 109-167.
41. Galley W.C. On the triplet states of polynucleotide-acridine complexes. I. triplet energy delocalization in the 9-aminiacridine-DNA complex. Biopolymers, 1968, vol. 6, pp. 1279-1296.
42. Rahn R., Shulman R., Longworth J. Phosphorescence and electron-spin resonance studies of the UV-excited triplet state of DNA. The Journal of Chemical Physics, 1966, vol. 45, pp. 2955-2965.
43. Векшин Н.Л. Фотоника биологических структур. Пущино: Институт биологической физики АН СССР, 1988, 51 с.
44. Векшин Н.Л. Перенос возбуждения в макромолекулах. Итоги науки и техники. Серия Радиационная химия. Фотохимия, т. 7. М.: ВИНИТИ, 1989, 164 с.
45. Lamola A.A., Gamane T. Sensitized photodimerization of thymine in DNA. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1967, vol. 58, no. 2, pp. 443-446.
46. Novak M.J., Lapinski L., Kwiatkowski J.S., Leszczynski J. Molecular structure and infrared spectra of the DNA bases and their derivatives: theory and experiment. Computational chemistry: reviews of current trends. J. Leszczynski Ed., Wold Scientific Publishing Co. Pte. Ltd, River Edge, NJ, 1997, vol. 2, pp. 140-182.
47. Friedberg E.C., Walker G.C., Siede W. DNA repair and mutagenesis. Washington: ASM Press, DC 1995.
48. Friedberg E.C., Walker G.C., Siede W., Wood R.D., Schultz R.A., Ellenberger T. DNA repair and mutagenesis. part 3. ASM Press, 2006.
49. Lockshin R.A., Zakeri Z. (eds.). When cells die II: A comprehensive evaluation of apoptosis and programmed cell death. John Wiley & Sons, 2004, 572 p.
