Возможный механизм активации экспрессии генов транскрипционными факторами Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 544.18/577.29:577.17

ВОЗМОЖНЫЙ МЕХАНИЗМ АКТИВАЦИИ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ ТРАНСКРИПЦИОННЫМИ ФАКТОРАМИ

© 2018 Н. Б. Кузнецова1, П. Е. Кузнецов2

1канд. хим. наук, доцент кафедры химии e-mail: [email protected] 2докт. хим. наук, профессор кафедры химии e-mail: [email protected]

Курский государственный университет

На основе квантово-химических расчетов взаимодействия транскрипционных факторов (ТФ) с нуклеотидами ДНК и рентгеноструктурных данных из Protein Date Bank рассмотрен возможный механизм экспрессии генов транскрипционными факторами. Предположительно, ТФ могут активировать транскрипцию ДНК путем переноса электрона от ДНК на ТФ. Основным состоянием комплекса ДНК и ТФ является триплетное состояние, которое термодинамически более выгодно по сравнению с основным синглетным состоянием этого комплекса. Показано, что ДНК является донором электронов, и ее потенциальная способность к переносу электронов лежит в основе активации экспрессии генов.

Ключевые слова: ТФ, ДНК, триплетное состояние, механизм действия, перенос электрона, квантово-химическая модель.

Было показано, что взаимодействие гормон-рецепторных комплексов с ДНК может активировать экспрессию генов путем переноса электрона с ДНК на гормон [Кузнецова, Кузнецов 2017; 2017а; 2014]. Ранее были рассмотрены ядерные рецепторы, являющиеся одним из видов транскрипционных факторов [Глик 2002; Льюин 2012]. Следует ожидать, что и другие виды транскрипционных факторов могут вызывать экспрессию генов путем переноса электрона с ДНК на ТФ. В настоящей статье рассматривается возможный механизм действия одного из конститутивных факторов транскрипции - белка, контролирующего транскрипцию последовательности ССААТ (САТ-бокса).

У структурных генов эукариот есть промоторный участок, включающий нуклеотиды ТАТА (ТАТА-бокс), последовательность ССААТ (САТ-бокс) и участок из повторяющихся динуклеотидов GC (GC-бокс), находящихся на расстоянии 25, 75 и 90 пар нуклеотидов от сайта инициации соответственно [Глик 2002]. Для каждого из боксов идентифицированы ТФ. Однако неясно, как связывание белков ТФ с ДНК может повлиять на транскрипцию, если боксы расположены на значительном расстоянии от сайта инициации.

Квантово-химическими методами было показано, что ДНК являются донорами электронов [Кузнецова, Кузнецов 2015], а активация транскрипции ДНК может инициироваться гормон-рецепторными комплексами. Комплекс гормон - рецептор - ДНК после переноса электрона термодинамически устойчивее того же комплекса до переноса электрона. Следовательно, этот процесс термодинамически разрешен.

Особенностью электронной структуры ДНК является то, что в ней фиксируется много отрицательно заряженных атомов кислорода с неспаренными электронами.

Таким образом, молекула ДНК является потенциальным донором электронов и обладает высокой вероятностью переноса электронов на акцептор. Следствием переноса

электронов будет образование катион-радикала молекулы ДНК с измененной структурой, зарядом и электростатическим потенциалом по сравнению с молекулой ДНК. Следствием этого процесса, вероятно, будет расплетание двойной спирали ДНК и последующая инициация транскрипции РНК-полимеразой.

Таким образом, в молекуле ДНК заключен потенциальный механизм, с помощью которого возможен запуск транскрипции ДНК. Этот запуск может быть осуществлен с помощью различных транскрипционных факторов: гормон-рецепторных комплексов, комплексов на основе ионов металлов и т.д.

Целью настоящей работы является исследование с помощью методов квантовой химии (метода функционала плотности (DFT)) активации транскрипции ДНК факторами транскрипции в рамках выдвигаемой теории.

Поиск экспериментальных данных базы Protein Data Bank [[Сайт] Protein Data Bank] показал наличие рентгеноструктурных данных комплекса фактора транскрипции CCAAT: PDB 4G92 - CCAAT - связанный комплекс из Aspergillus Nidulans с ДНК.

Было рассмотрено взаимодействие между ДНК и белком в этом комплексе и перенос электронной плотности между ними.

Расчеты проводились программой Gaussian 09 [www.gaussian.com]. Предварительный расчет был проведен с использованием программы HyperChem 7.01 и метода MNDO/d [Hyper Chem Release 7 for Windows], также использовалась программа Discovery Studio Client v2.5.0.9164 [Сайт].

На рисунке 1 показана структура комплекса PDB 4G92 фактора транскрипции и фрагмента ДНК в области САТ-бокса, полученная методом рентгеновской дифракции с разрешением 1,8 Ä.

Рис. 1. Комплекс фактора транскрипции и фрагмента ДНК в области САТ-бокса, (PDB 4G92). Зеленым пунктиром показаны водородные связи в комплексе

Модель в методе DFT была построена на основе полуэмпирической модели, рассмотренной в статье [Кузнецова, Кузнецов 2015]. В расчетах учитывались экспериментальные данные рентгеноструктурного анализа базы Protein Date Bank [Сайт] и

принцип построения модели как комплекса фрагмента молекулы ТФ и фрагмента цепи ДНК.

Транскрипционны фактор

Фрагмент ДНК

Рис. 2. Структура комплекса фрагмента транскрипционного фактора с фрагментом цепи ДНК (РБВ 4092). Пунктиром отмечена водородная связь между аминокислотой Лг§ 91 ТФ и нуклеотидом БЛ 16 ДНК

На рисунках видно, что молекула ТФ фиксируется несколькими водородными связями, в частности водородной связью между аминокислотой Лг§ 91 ТФ и нуклеотидом БЛ 16 ДНК.

Заряд ТФ равен плюс 18. Таким образом, ТФ заряжен положительно и может являться акцептором электронной плотности. Заряд фрагмента ДНК равен минус 25. Таким образом, этот фрагмент насыщен избытком электронной плотности и является ее донором. Следовательно, можно ожидать переноса электронной плотности с фрагмента ДНК на ТФ.

Схема переноса электрона с ДНК на ТФ представлена уравнением.

И И 1Т ^

[ТФ++БА 16-2]- [ТФ+— БА 16-2]-[Т<1$+--- БА 16-2]-

с-1 с-1

Изменение заряда и е- структуры БА 16, ТТ Т Т У ^ расплетание цепи ДНК

►[ТФ' — БА 161]- [ТФ"+ БА 161]- [ТФ"+ БА 161]-*

11+12

—► образование сайта связывания РНК-полимеразы с цепью ДНК ТФ" + Б А 16"1- + РНК-полимераза—> экспрессия генов)

Р

2

Здесь БЛ 16 - нуклеотид на основе аденина, заряд минус два;

БЛ 16-1' - радикал нуклеотида после переноса электрона с БA 16 на транскрипционный фактор, заряд минус один;

ТФ+ - транскрипционный фактор ССААТ (САТ-бокса), заряд плюс один;

ТФ' - радикал транскрипционного фактора ССААТ (САТ-бокса) после переноса электрона, заряд ноль;

С-1 - комплекс исходных реагентов, заряд минус один;

вверху строки схематически изображено спиновое состояние электронов на верхней занятой молекулярной орбитали (ВЗМО): Е - синглетное, ТТ - триплетное;

11, 12 - интермедиаты;

Р - продукты реакции;

----обозначено существование водородных и ионных связей соединений комплекса.

Упрощенная модель комплекса представлена на рисунке 3.

В модели комплекса рассматривался фрагмент транскрипционного фактора (с зарядом плюс один), который образует водородную связь с цепью ДНК и который может являться акцептором электронов.

В качестве модели ДНК применялся нуклеотид на основе аденина с зарядом минус два. Согласно экспериментальным данным, он образует водородную связь с ТФ и может являться донором электронов.

В комплексе (ТФ - ДНК) возможно перераспределение электронной плотности, которое может повлечь смещение равновесия в сторону триплетного состояния за счет высокой вероятности переноса электрона.

Нуклеотид DA 16 цепи ДНК

Фрагмент транскрипционного фактора

Рис. 3. Упрощенная модель комплекса фрагмента транскрипционного фактора и нуклеотида цепи ДНК, образующих одну из водородных связей, отмеченную на рисунке пунктиром

На следующем этапе методом функционала плотности ББТ в параметризации БЗЬУР в базисе БТО б-ЗЮ(ё) был рассчитан упрощенный комплекс транскрипционного фактора и ДНК (С-1 в уравнении) в триплетном состоянии. В результате расчетов была найдена стационарная точка на поверхности потенциальной энергии. Распределение спиновой плотности комплекса, полученное в результате расчетов, показано на рисунке 4.

Рис. 4. Распределение спиновой плотности в упрощенной модели комплекса, содержащего фрагмент транскрипционного фактора и нуклеотид цепи ДНК. Комплекс находится в триплетном состоянии.

Эллипсами показаны области, на которых расположены электроны ВЗМО с параллельными спинами

В результате перераспределения электронной плотности в комплексе после взаимодействия произошел перенос электрона от нуклеотида ДНК на транскрипционный фактор.

Изменение зарядового распределения после взаимодействия также свидетельствует о переносе электрона с ДНК на ТФ. Так, заряд на нуклеотиде ДНК был равен минус двум, а после взаимодействия стал равен минус одному. Заряд на одном из активных центров транскрипционного фактора был равен плюс одному, а стал равен нулю. Следовательно, электрон перераспределился с нуклеотида ДНК на активный центр белка.

В каждой из областей, отмеченных на рисунке, на валентной оболочке находится по одному электрону с параллельными спинами. Так, один электрон локализуется на молекуле нуклеотида ДНК на атомах кислорода, а другой - на аминогруппе аргинина ТФ.

Таким образом, вероятный механизм молекулярного действия заключается в переносе электрона с ДНК на ТФ при их взаимодействии в комплексе. Это возможно лишь в случае смещения равновесия синглетного и триплетного состояний комплекса в сторону триплетного состояния. После взаимодействия образуются следующие вероятные интермедиаты:

- радикал транскрипционного фактора ССААТ (САТ-бокса) - ТФ' с зарядом ноль;

- радикал нуклеотида ДНК (БЛ 1б-1) после переноса электрона на ТФ с зарядом минус один.

После переноса электрона структура и заряд нуклеотида ДНК меняется. Это вызывает расплетание цепи ДНК, что является начальным моментом в последующем запуске транскрипции РНК-полимеразой.

Расчеты, выполненные методом функционала плотности (ББТ) в параметризации БЗЬУР в базисе БТО б-ЗЮ(ё), показали, что интермедиаты термодинамически устойчивее исходных реагентов. Таким образом, триплетное состояние комплекса устойчивее синглетного и равновесие между синглетным и триплетным состояниями комплекса сдвинуто в сторону триплетного состояния.

Нами были рассмотрены еще четыре сайта связывания транскрипционного фактора с ДНК. Следует отметить, что области взаимодействия транскрипционного фактора с ДНК в основном содержат лизин в качестве аминокислоты, образующей водородные связи с ДНК. Кроме того, все области взаимодействия белка заряжены положительно с зарядом плюс два или три с общим зарядом ТФ плюс 25, являясь возможными акцепторами электронов. Таким образом, несколько сайтов транскрипционного фактора, связывающихся с ССААТ, возможно, способны инициировать перенос нескольких электронов и активировать часть цепи ДНК, узнаваемую ТФ.

В рамках выдвигаемой теории объясняются некоторые экспериментальные данные. Так, становится понятным на молекулярном уровне, как связывание белков ТФ с нуклеотидами ДНК на значительном расстоянии друг от друга может повлиять на транскрипцию, а также как, возможно, запускается процесс транскрипции с участием РНК-полимеразы.

Возможный механизм взаимодействия ТФ с ДНК, в соответствии с расчетами DFT, заключается в следующем:

- ТФ узнает определенную группу нуклеотидов и образует с ней комплекс с несколькими водородными связями;

- после электронного взаимодействия комплекс переходит в триплетное состояние и электрон переносится с ДНК на ТФ;

- радикал нуклеотида ДНК с измененными структурными и зарядовыми параметрами образует на цепи ДНК «возмущение», которое можно считать сайтом связывания РНК-полимеразы с цепью ДНК.

Таким образом, в результате расчетов методом DFT предложен вероятный механизм активации экспрессии генов ТФ на молекулярном уровне. Механизм заключается в том, что ТФ инициирует перенос электронов с ДНК на ТФ. Это вызывает расплетание цепи ДНК, что запускает последующую экспрессию генов РНК-полимеразой.

Библиографический список

Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е Возможный механизм биологического действия ДНК как доноров электронов // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета, 2015. № 1(5). URL: http://auditorium.kursksu.ru/pdf/005-004.pdf (дата обращения: 09.07.2018)

Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Применение метода функционала плотности для исследования возможного механизма действия агонистов ядерного NR3C4 рецептора // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета.

2017. № 1(13). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/013-002.pdf (дата обращения: 10.07.2018)

Кузнецова Н. Б., Кузнецов П. Е. Применение метода функционала плотности для

исследования возможного механизма действия агонистов ядерного эстрогенового рецептора // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2017а. № 2(14). URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/014-001.pdf (дата обращения: 15.07.2018)

Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Возможный механизм биологического действия гормонов как доноров, акцепторов и переносчиков электронов // AUDITORIUM, 2014. № 4. URL: http://auditorium.kursksu.ru/pdf/004-004.pdf (дата обращения: 15.07.2018)

Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение / под ред. докт. биол. наук Н.К. Янковского. М.: Мир, 2002. 589 с.

Льюин Б. Гены. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. 896 с.

Discovery Studio Client v2.5.0.9164 [Сайт]. URL: http//www.accelrys.com/ (дата обращения: 8.08.2017).

Hyper Chem Release 7 for Windows. 2002. HyperCube, Inc. 860 p.

Protein Data Вапк[Сайт]. URL: www.rcsb.org/pdb/home/home.do (дата обращения: 15.08.2017).

www.gaussian.com [Сайт]. (дата обращения: 5.11.2017).