Dmitry Yu. Nechipurenko, Mikhail V. Golovkin, Sergej L. Grokhovsky

Mechanical Properties of DNA Local
Structure: Ultrasound Studies
Dmitry Yu. Nechipurenko , Mikhail V. Golovkin , Sergej L.
Grokhovsky , Irina А. Il'icheva ,
Larisa A. Panchenko, Robert V. Polozov, Yurii D.
Nechipurenko
M.V.Lomonosov Moscow State University,
Engelhardt Institute of Molecular Biology RAS,
Institute of theoretical and experimental biophysics
Облучение водно-солевых
растворов ДНК ультразвуком
Разрыв фосфодиэфирной связи
Специфика расщепления молекул
ДНК ультразвуком
• Важнейшим
результатом
экспериментов по
расщеплению ДНК
ультразвуком
является вывод о
зависимости
вероятности
разрыва молекулы
ДНК от
последовательности
нуклеотидных пар
Диаграмма интенсивности
расщепления фрагментов ДНК
Относительные интенсивности
расщепления 16 динуклеотидов
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1.0
0.9
0.8
AA
AC
AG
AT
CA
CC
CG
CT
GA
GC
GG
GT
TA
TC
TG
TT
Расщепление ДНК ультразвуком в
присутствии цис-платина (cis-Pt)
Расщепление ДНК ультразвуком в
присутствии ионов металлов
1.6
1.5
1.4
1.3
концентрация Hg:
0 мкМ
0,25 мкМ
0,5 мкМ
1,0 мкМ
1.2
1.1
1
0.9
0.8
AA AC AG AT CA CC CG CT GA GC GG GT TA TC TG TT
Благодарности
С.Л. Гроховскому,
И.А. Ильичевой,
Р.В. Полозову,
Ю.Д. Нечипуренко,
Н.Г. Есиповой,
Г.В. Гурскому,
А.Ю. Зайцеву.
Модель идеальной струны
U
F U

 g ( x,t)
2
2
t
 ( x ) x
2
2
Моделирование реакции ДНК на
внешние воздействия
Моделирование растяжения
фрагмента ДНК
Заключение
Проведенный количественный анализ расщепления молекул ДНК
ультразвуком позволяет сделать следующие выводы:
1) Наиболее вероятными являются разрывы в динуклеотидах
5’-d(CpG)-3’, 5’-d(CpА)-3’ и 5’-d(CpT)-3’
2) Разрывы нитей двойной спирали не всегда происходят
между двумя соседними парами оснований
3) На характер расщепления влияет связывание лигандов с
молекулой ДНК .
Был создан пакет программ (метод молекулярной динамики),
позволяющий проводить моделирование реакции ДНК на
внешние воздействия
Публикации
•
1. Нечипуренко Ю.Д., Полозов Р.В., Нечипуренко Д.Ю., Ильичева И.А.,
Воробьев Е.А., Гроховский С.Л. и Гурский Г.В. Математические модели
регуляции экспрессии генов: механические возмущения структуры
ДНК. // Математика. Компьютер. Образование: Сб. научных трудов.
Том.2 / Под ред. Г.Ю.Ризниченко. - М.-Ижевск: НИЦ "Регулярная и
хаотическая динамика". 2006, С. 392-402.
•
2. Nechipurenko Yu.D., Nechipurenko D.Yu., Polozov R.V., Grokhovsky
S.L., Gursky G.V. DNA-based nanostructures: changes of Mechanical
properties of DNA upon ligand binding. In: Nanomaterials for Application
in Medicine and Biology, 2007. Springer, printed in the Netherlands.
•
3. 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, в печати.
Схема экспериментальной установки
Экспериментальные данные по
растяжению единичных молекул ДНК
Полученная зависимость
растяжения ДНК от приложенной
внешней силы
Образование микроструи
Вероятностная модель
двухстадийного разрыва молекулы
ДНК
Корреляция взаимодействий с
конформациями пар оснований
Распространение энергии
деформации вдоль струны
0,02
E(x,t)
Начальный этап
распространения
энергии
деформации
0,016
0,012
0,008
0,004
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
X
Энергетический
профиль в
момент
достижения
неоднородности
0,02
E(x,t3)
0,016
0,012
0,008
0,004
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
X
1