Анотація до роботи:

Костюков В.В. Стабільність коротких шпилькових структур нуклеїнових кислот і їх комплексів з ароматичними сполуками. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 03.00.02 – біофізика. – Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, м. Харків, 2008.

Методами ¹Н-ЯМР-спектроскопії і молекулярної динаміки проведено дослідження шпилькових форм коротких дезоксирібонуклеотидів та їх комплексоутворення з біологічно активними ароматичними сполуками (БАС) – дауноміцином, бромистим етидієм, новантроном і профлавіном. Отримано структурні і термодинамічні параметри самоасоціації дезоксигексануклеотиду d(GCTAGC). Виявлено умови утворення шпилькових структур гексамерами ДНК з довільною послідовністю дінуклеотидної петлі. Розраховано структурні і енергетичні параметри комплексоутворення дуплексу гексамеру d(GCTAGC) з дауноміцином. Отримано структурні характеристики ком-

плексу гептамерної шпильки d(GCGAAGC) з дауноміцином. Розраховано структурні і термодинамічні параметри зв’язування різних конформерів дезоксигептануклеотиду d(GCGAAGC) з новантроном. Встановлено причини зниження температури плавлення шпильки d(GCGAAGC) при зв’язуванні з БАС.

У даній роботі методами одно- і двомірної ¹Н-ЯМР-спектроскопії та молекулярного моделювання вперше досліджено короткі шпилькові структури на рівні гекса- та гептамеру ДНК та їх комплексоутворення з ароматичними лігандами. Встановлений у роботі факт, а також умови утворення коротких шпильок ДНК у розчині суттєво розширює сучасні уявлення про конформаційні властивості нуклеїнових кислот. Отримані результати можуть бути використані в галузі молекулярної біофізики, молекулярної біології та біотехнології.

Основні результати роботи можуть бути сформульовані наступним чином:

1. На підставі даних ¹Н-ЯМР-спектроскопії встановлено, що дезоксигексануклеотид d(GCTAGC), разом з дуплексною, утворює також шпилькову структуру з петлею d(TA) і стеблом d(GC)₂ у водному розчині. Отримано структурні та термодинамічні параметри реакції самоасоціації d(GCTAGC).

2. Порівняльний аналіз структурних і енергетичних параметрів мономерних, дуплексних та шпилькових форм ізомерних гексануклеотидів d(GCATGC) і d(GCTAGC) дозволив зробити висновок про те, що інверсія центральної пари d(AT)d(TA) знижує загальну термодинамічну стабільність шпилькової форми. При цьому як мінімум два фактори є відповідальними за стійкість гексамерної шпильки у розчині: ентропійний фактор – конформаційна гнучкість остову мономерної форми та ентальпійний фактор – вертикальний стекінг азотистих основ петлі та стебла.

3. Дослідження методом молекулярної динаміки шпилькових форм гексамерів сімейства d(GCXYGC) з дінуклеотидною петлею d(XY) довільного складу дозволило зробити висновок про відсутність принципових стеричних обмежень щодо утворення таких шпильок у розчині. Встановлено, що найбільш імовірним є формування шпилькових структур з центральною парою основ, яка не містить гуанін. У той самий час, інверсія або заміна пар нуклеотидів стебла, що фланкують петлю, робить шпилькову структуру нестабільною.

4. Методами ¹Н-ЯМР-спектроскопії і молекулярного моделювання вивчено комплексоутворення дезоксигексануклеотиду d(GCTAGC) з антипухлинним антибіотиком дауноміцином. На підставі порівняльного аналізу структурних та енергетичних параметрів комплексоутворення DAU з дуплексами гексамерів d(GCATGC) і d(GCTAGC) показано, що найбільш імовірною причиною різної спорідненості антибіотику до d(GCATGC)₂ у порівнянні з d(GCTAGC)₂ є різний ступінь гідрофобної взаємодії аміноцукру DAU у малій канавці подвійної спіралі гексамерних дуплексів.

5. Методом молекулярної динаміки проведено порівняльний аналіз шпилькових форм гептамерів d(GCGAAGC) та r(GCGAAGC). Встановлено, що причиною зниженої термічної стабільності шпильки r(GCGAAGC) у порівнянні з d(GCGAAGC) є її невпорядкована структура, обумовлена зниженою конформаційною гнучкістю остову рібогептамеру.

6. Структурний та енергетичний аналіз комплексу шпилькової форми дезоксигептануклеотиду d(GCGAAGC) з дауноміцином показав, що основні зміни у структурі шпильки при інтеркаляції ліганду відбуваються, головним чином, за рахунок конформаційних перебудов кінцевої пари основ. У той же час петля при вбудовуванні хромофору антибіотику у стебло шпильки характеризується високою стабільністю.

7. Методом ¹Н-ЯМР-спектроскопії і молекулярного моделювання вивчено взаємодію гептамеру d(GCGAAGC) з антипухлинним антибіотиком новантроном, отримано структурні та термодинамічні параметри реакцій комплексоутворення. Встановлено, що зв’язування NOV зі всіма формами гептамеру d(GCGAAGC) у розчині відбувається по типу інтеркаляції. При вбудовуванні антибіотику в стебло шпильки утворюється комплекс, який стабілізується, додатково до стекінгу основ та хромофору, міжмолекулярним водневим зв’язком.

8. Методом молекулярної динаміки проведено дослідження термічної стабільності шпилькової структури дезоксигептануклеотиду d(GCGAAGC) при зв’язуванні з ароматичними лігандами: антибіотиками – дауноміцином і новантроном, та мутагенами – профлавіном і бромистим етидієм. Вперше показано, що найбільш імовірною причиною зниження температури плавлення шпильки d(GCGAAGC) при зв’язуванні з БАС є зменшення загального числа внутрішньомолекулярних водних містків, що стабілізують структуру гептамеру в розчині.

Публікації автора:

1. Костюков В.В. Семанин А.В., Дымант Л.Н. Структурные характеристики шпилечных конформаций дезоксигексануклеотидных последовательностей 5-d(GCATGC) и 5-d(GCTAGC): анализ методами молекулярной динамики // Вестник СевГТУ (серия «Физика и математика»).–2005.–№ 70.–С. 30–39.

2. Костюков В.В., Пахомов В.И., Дымант Л.Н. Структурные характеристики интеркаляционного комплекса шпилечной формы дезоксигептануклеотида d(GCGAAGC) с антрациклиновым антибиотиком дауномицином // Биополимеры и клетка.–2006.–Т.22.–С. 339–349.

3. Костюков В.В., Рогова О.В., Пахомов В.И., Евстигнеев М.П. Структурный и термодинамический анализ конформационных состояний самокомплементарных дезоксигексануклеотидов 5-d(GpCpApTpGpC) и 5-d(GpCpTpApGpC) в водном растворе // Биофизика.–2007.– Т.52.–С. 625–635.

4. Костюков В.В., Рогова О.В., Евстигнеев М.П. Термодинамический и структурный анализ комплексов самокомплементарных дезоксигексануклеотидов 5-d(GpCpApTpGpC) и 5-d(GpCpTpApGpC) с антрациклиновым антибиотиком дауномицином // Вестник ХНУ.– Биофизический вестник. 2006.–Вып. 17(1).–С. 15–23.

5. Костюков В.В. Сравнительный анализ шпилечных форм гептануклеотидов d(GCGAAGC) и r(GCGAAGC) методами молекулярной динамики // Вестник СевГТУ (серия «Физика и математика»).–2007.–№ 71.–С. 26–32.

6. Kostjukov V.V., Pahomov V.I., Andrejuk D.D., Davies D.B., Evstigneev M.P. Investigation of the complexation of the anti-cancer drug novantrone with the hairpin structure of the deoxyheptanucleotide 5-d(GpCpGpApApGpC) // J. Mol. Struct.–2007.–Vol.843.–P. 78–86.

7. Kostjukov V.V., Lantushenko A.O., Davies D.B., Evstigneev M.P. On the origin of the decrease in stability of the DNA hairpin d(GCGAAGC) on complexation with aromatic drugs // Biophys. Chem.–2007.–Vol.129.–P. 56–59.

8. Djimant L.N., Kostjukov V.V., Rogova O.V., Semanin A.V., Pahomov V.I., Davies D.B. Distinctive features of the self-association of deoxyhexanucleotide d(GpCpTpApGpC) in aqueous solution // Proc. III International Conf. Physics of Liquid Matter: Modern Problems. – Kyiv (Ukraine), 2005.–P. 195.

9. Костюков В.В., Дымант Л.Н., Семанин А.В. Структурные характеристики шпилечных конформаций дезоксигексануклеотидных последовательностей 5-d(GCATGC) и 5- d(GCTAGC): анализ методами молекулярной динамики // Тр. I Всеукр. науч.-техн. конф. аспирантов и молодых ученых «Актуальные вопросы теоретической и прикладной физики и биофизики. Физика. Биофизика–2005»–Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2005.–С. 39–41.

10. Djimant L.N., Zubchonok O.V., Rogova O.V., Kostjukov V.V., Pahomov V.I., Davies D.B. Complexation of daunomycin with the selfcomplementary deoxyhexanucleotide, d(GCTAGC), in aqueous solution: 1D- and 2D-NMR analysis // Proc. XVII International School-Seminar on Spectroscopy of Molecules and Crystals.–Beregove.–2005.–P. 262–263.

11. Костюков В.В., Дымант Л.Н., Пахомов В.И. Структурные характеристики интеркаляционного комплекса шпилечной формы дезоксигептануклеотида d(GCGAAGC) с антрациклиновым антибиотиком дауномицином // Тр. V Харьковской конф. молодых ученых «Радиофизика и СВЧ электроника», секция биофизики.–Харьков: Изд-во ИРЭ, 2005.–С. 57–58.

12. Костюков В.В., Пахомов В.И., Андреюк Д.Д., Евстигнеев М.П. Исследование комплексообразования антрацендионового антибиотика новантрона со шпилечной структурой дезоксигептануклеотида 5-d(GpCpGpApApGpC) // // Тр. VI Харьковской конф. молодых ученых «Радиофизика и электроника», секция биофизики.–Харьков: Изд-во ИРЭ, 2006.–С. 47.

13. Костюков В.В., Евстигнеев М.П. Термическая стабильность комплексов шпилечной формы дезоксигептануклеотида d(GCGAAGC) с ароматическими лигандами // Тр. IV съезда Укр. биофиз. об-ва.–Донецк: Изд-во ДонНУ, 2006.–С. 306–307.

14. Костюков В.В., Евстигнеев М.П. Структурный и термодинамический анализ шпилечных форм коротких дезоксирибонуклеотидов и их комплексообразования с биологически активными ароматическими соединениями //

Тр. III Всеукр. науч.-техн. конф. «Актуальные вопросы теоретической и прикладной физики и биофизики. Физика. Биофизика–2007»–Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2007.–С. 106–110.

15. Kostjukov V.V., Ovchinnikov D.V., Davies D.B., Evstigneev M.P. Formation of hairpin structures for DNA hexamers // Eur. Biophys. J.–2007.–Vol.36.–Suppl. 1.–S. 201.