Связывание ионов лантана с молекулой ДНК врастворе

УДК 577.323.2, 547.963.3 2

Вестник СПбГУ. Сер. 4. Т. 2 (60). 2015. Вып. 3

Н. А. Касьяненко, В. В. Сморыго

СВЯЗЫВАНИЕ ИОНОВ ЛАНТАНА С МОЛЕКУЛОЙ ДНК В РАСТВОРЕ*

Санкт-Петербургский государственный университет, Российская Федерация, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7—9

Методами низкоградиентной вискозиметрии, динамического двойного лучепреломления и спектрофотометрии изучалось взаимодействие высокомолекулярной ДНК с трёхзарядны-ми ионами лантана в растворах малой и большой ионной силы. Проведённые исследования показали, что комплексообразование сопровождается существенным падением объёма молекулярного клубка ДНК и увеличением его оптической анизотропии независимо от ионной силы раствора. Ионы лантана связываются с молекулой ДНК по фосфатным группам, образуя при этом скрепки между удалёнными по цепи сегментами. Такое связывание приводит к внутримолекулярной реорганизации клубка с появлением взаимно ориентированных участков цепи без изменения формы и асимметрии макромолекулы в растворе. При достижении больших концентраций ионов лантана в растворе происходит компактизация ДНК с образованием наноразмерных структур. Вязкость раствора ДНК при этом практически не отличается от вязкости растворителя. Библиогр. 22 назв. Ил. 4.

Ключевые слова: ДНК, ионы лантана, компактизация ДНК, полиэлектролитные свойства ДНК.

N. A. Kasyanenko, V. V. Smorygo

BINDING OF LANTHANUM IONS WITH DNA MOLECULES IN SOLUTION

St. Petersburg State University, 7—9, Universitetskaya nab., St. Petersburg, 199034, Russian Federation

The methods of low-gradient viscometry, flow birefringence and spectrophotometry were used for study of of high molecular DNA interaction with trivalent lanthanum ions in solutions of low and high ionic strength. Experiments have shown that complexation is accompanied by a significant drop in the volume of the DNA molecular coil and increase in its optical anisotropy regardless of the ionic strength. Lanthanum ions bind to DNA phosphate groups, forming a linkage between segments remote along the chain. Such binding leads to intramolecular reorganization of the coil with the mutually oriented segments without changing in the shape and asymmetry of the macromolecule. At high concentrations of lanthanum ions in a solution DNA compaction takes place with the formation of nanoscale structures. The viscosity of DNA solutions thus practically has same value as the viscosity of the solvent. Refs 22. Figs 4.

Keywords: DNA lanthanum ions, DNA compaction, polyelectrolyte properties of DNA.

Введение. Полиэлектролитные свойства молекулы ДНК, которая обладает значительной жёсткостью и высокой плотностью заряда, являются предметом исследования на протяжении многих лет. В какой-то мере это обусловлено тем, что до настоящего времени не существует адекватной теории полиэлектролитов, способной описать поведение заряженных макромолекул различной жёсткости, особенно сильно заряженных полимеров. Несмотря на достаточно хорошее соответствие экспериментальных данных, полученных ещё в 80-е гг. XX в. для характеристики изменения объёма и персистентой длины ДНК при вариации ионной силы раствора [1, 2], и так называемой OSF-теории (теории Одайка—Школьника—Фиксмана) [3-5], описывающей конформационные изменения ДНК при изменении концентрации противоионов, до настоящего времени вопрос

* Работа поддержана грантами РФФИ 13-03-01192a и СПбГУ 11.38.644.2013.

о форме и конформационных параметрах макромолекулы при изменении ионных условий в растворе остаётся актуальным. Это связано и с уточнением зависимости конформационных параметров ДНК в присутствии ионов разного заряда, и с рассмотрением её полиэлектролитных свойств при образовании различных систем, формируемых с участием электростатических сил [6—11]. OSF-теория имеет существенные ограничения: она справедлива только для жёстких и сильно заряженных макромолекул. Согласно этому подходу, расчёт «электростатической составляющей» персистентной длины ае осуществляется по формуле

1 2 о. 7 q2 1 m

— rB> а = ао + °е> h = ^ ГВ = 7_=,

где a — персистентная длина ДНК; ао — «неэлектростатическая» составляющая персистентной длины; 1в — длина Бьеррума; q — заряд электрона; к — постоянная Больцма-на; T — абсолютная температура; е — диэлектрическая постоянная среды; rD — деба-евский радиус, зависящий от ионной силы раствора (концентрации противоионов Cs). Вычисления справедливы, если персистентная длина цепи а намного больше дебаев-ского радиуса. Это условие выполняется для не очень малой ионной силы раствора (не очень большого rr>) и сравнительно высокой жёсткости полииона (персистентной длины а). Кроме того, необходимо, чтобы расстояние между зарядами вдоль цепи b было достаточно мало, чтобы выполнялось второе условие b ^ r^ (ограничение на плотность заряда полииона, которая должна быть достаточно велика). Следовательно, OSF-теория применима только для очень жёстких и сильно заряженных полимеров. Её использование без учёта этого обстоятельства приводит к завышенным значениям величины ae и практически полному отсутствию полиэлектролитного набухания. В ряде работ на основании этих расчётов делается вывод о вытягивании полииона в палочку. Различные подходы к определению вклада электростатических взаимодействий в персистентную длину ДНК и её полиэлектролитное набухание в растворах активно разрабатываются и в настоящее время [6-15].

Исследование взаимодействия молекулы ДНК с одно- двух- и трёхзарядными про-тивоионами изучено подробно, в том числе в нашей лаборатории [16-20]. Вместе с тем остаётся ряд дискуссионных вопросов. В частности, каким образом осуществляется связывание трёхзарядных ионов с макромолекулой, происходит ли изменение жёсткости ДНК при связывании, как меняется форма молекулы. Этим вопросам посвящена предлагаемая статья.

Материалы и методы исследования. В работе использовали коммерческий препарат ДНК тимуса телёнка (Sigma), молекулярная масса M которой была определена по значению характеристической вязкости в 0,15М NaCl и составила 6 • 106. Препарат ДНК растворяли в дистиллированной воде, после 5 дней хранения при температуре 4°С в раствор добавляли NaCl для достижения требуемой ионной силы (0,005M или 1М). Растворы ДНК центрифугировали или фильтровали перед применением. Использовали соль лантана LaCl3 марки осч. Растворы ДНК с La3+ готовили, сливая равные объёмы соответствующих компонентов, содержащих одинаковые концентрации NaCl. Исследования проводили через сутки после приготовления систем.

Спектры поглощения растворов получены на спектрофотометре СФ-56 (Россия), спектры кругового дихроизма — на автодихрографе Mark IV (Франция). Относительную вязкость растворов ДНК цг определяли на низкоградиентном ротационном вискозиметре типа Зимма—Крозерса [21] при разных градиентах скорости потока g с экстраполяцией к g = 0. Экстраполяция концентрационной зависимости приведённой вязко-

а

e

сти (nr — 1)/C к C = 0 даёт величину характеристической вязкости ДНК

Ы = lim ÜL^i

1 IJ с-о С

которая связана с приведённым объёмом молекулярного клубка V/M, гидродинамической длиной макромолекулы L и её жёсткостью A (длиной статистического сегмента, связанной с персистентной длиной A = 2a) соотношением

-3/2

где а — коэффициент линейного набухания клубка; Ф — параметр Флори.

Величину двойного лучепреломления растворов ДНК Дп при разных градиентах скорости д определяли на установке с полутеневым эллиптическим компенсатором. Величина (Дп/д)/(цг — 1)по для ДНК пропорциональна оптической анизотропии макромолекулы (ух — у2) — разности поляризуемостей молекулярного эллипсоида в главных осях, которая пропорциональна оптической анизотропии статистического сегмента (ах — а2) = йДр — количество пар оснований в сегменте; Дв — разность поляризуемостей пары оснований вдоль оси спирали ДНК и перпендикулярно ей).

Результаты и их обсуждение. При концентрационных исследованях, которые требуют сохранения постоянства объёма макромолекулы с изменением концентрации ДНК, необходимо решить методический вопрос об обеспечении таких условий в процессе экспериментов. Ранее было показано, что взаимодействие трёхзарядных ионов Fe3+ с ДНК приводит к формированию сильного связывания, не изменяющегося при концентрационных исследованиях [19]. Эксперимент показал, что для ионов лантана применим такой же способ разбавления при определении характеристической вязкости ДНК. Зависимость характеристичекой вязкости ДНК от концентрации лантана в 0,005М МаС1 и 1М МаС1 демонстрирует значительное изменение объёма макромолекулы вне зависимости от ионной силы раствора (рис. 1, а). При этом в 1М МаС1, как известно, полиэлектролитное набухание ДНК практически отсутствует из-за эффективной экранировки отрицательно заряженных фосфатных групп [2]. Таким образом, согласно формуле (3), изменения вязкости могут быть связаны с падением жёсткости макромолекулы. Сравнение падения вязкости в растворах малой и большой ионной силы (рис. 1, б) показало, что изменение объёма в 1М МаС1 прекращается при концентрациях лантана, на порядок больших. Отметим, что при определении характеристической вязкости ДНК в растворах большой и малой ионной силы используется различный диапазон концентраций ДНК С (ДНК). Эта разница заключается в 35% уменьшении С (ДНК) в 0,005М МаС1 из-за полиэлектролитного набухания (метод требует использования разбавленных растворов, когда выполняется условие, согласно которому доля объёма, занятого молекулярными клубками, определяемая как С(ДНК)[п], должна быть много меньше 1). Таким образом, сравнивая количество ионов La3+, приходящееся на 10 пар оснований (г) при насыщении связывания (область неизменности значения [п]), можно отметить, что при малой ионной силе г > 4 и этот параметр более чем в 6 раз ниже, чем в 1М МаС1 (г > 25). Однако, несмотря на то, что относительное изменение объёма макромолекулы в растворе малой ионной силы больше, абсолютное значение характеристической вязкости в области насыщения связывания в 1М МаС1 ниже, т. е., по-видимому, полиэлектролитное набухание ДНК при связывании с лантаном в растворе малой ионной силы подавляется не полностью.

605040: 3020

2 4 6 С(Ьа>105, М

1,0,0,8-0,60,40,20,0

0

2 4 6 С(Ьа)405, М

Рис. 1. Зависимость характеристической вязкости ДНК от концентрации ЬаС!3 (а) и относительное изменение этой величины (б) (приведённое к значению характеристической вязкости при С(Ьа) = 0) в 0,00бМ (1) и 1М (2) ШС!

4 6

С(Ьа)406, М

Рис. 2. Относительное изменение оптической анизотропии ДНК с ростом концентрации ЬаС!3 в растворах ДНК в 0,005М (1) и 1М (2) ШС!

Обратимся к данным, полученным для этих систем методом динамического двойного лучепреломления (рис. 2). Эксперимент показал, что увеличение оптической анизотропии молекулярного клубка ДНК наблюдается сразу, как только начинает уменьшаться объём макромолекулы. При этом следует подчеркнуть, что сегментная анизотропия молекулы ДНК (ах — а2) в водно-солевом растворе имеет максимальное значение оптической анизотропии, так как в В-форме нормальная ориентация плоскостей оснований относительно оси спирали обеспечивает максимальное значение Дв, а для увеличения жёсткости нет причины, так как характеристическая вязкость при этом увеличилась бы, тогда как фиксируется её уменьшение с ростом C(La). Действительно, согласно выражению (1), персистентная длина ДНК при увеличении концентрации противоиоов может только уменьшаться. Таким образом, мы исключаем уменьшение жёсткости макромолекулы при связывании. Что же является причиной падения вязкости, сопровождающегося возрастанием оптической анизотропии молекулярного клубка? Такие изменения параметров могут быть вызваны экранированием заряда и переориентацией сегментов в клубке.

Известно, что в идеальном растворе реализуется конформация гауссова клубка с преимущественной ориентацией сегментов вдоль вектора, соединяющего начало и конец цепи (это направление совпадает с главной осью молекулярного эллипсоида, аппроксимирующего клубок). Полученные результаты можно объяснить, если предположить, что в результате связывания трёхзарядных ионов лантана с молекулой ДНК формируются внутримолекулярные «скрепки», приводящие к появлению достаточного количества взаимно ориентированных сегментов. При этом общая асимметрия клубка не меняется, так как в противном случае мы получили бы иную зависимость характе-

ристической вязкости от концентрации лантана в растворе. Такое объяснение сходных экспериментальных данных было предложено при изучении связывания ДНК с трёх-зарядными ионами железа [19] и гексамина кобальта [20].

Каким образом происходит связывание лантана с ДНК? Рассмотрим результат исследования протонирования ДНК, которое осуществляется по позиции N7 гуанина, наиболее привлекательной для связывания положительно заряженных ионов в большой бороздке ДНК, при образовании её комплексов с ионами лантана. Для этого исследуем зависимость коэффициента молярной экстинкции ДНК, определённого из оптической плотности растворов при длине волны 260 нм (в максимуме полосы поглощения ДНК), от величины рН для свободной ДНК и ДНК в комплексе с лантаном (рис. 3), так как известно, что при протонировании двуспиральной молекулы наблюдается небольшой гипохромный эффект [22]. Заметим, что концентрацию ДНК мы определяли по поглощению гидролизованных растворов, что даёт возможность корректного определения £-260 (Р). Как видно на рисунке, протонирование ДНК в комплексе с лантаном не отличается от протонирования свободной ДНК, откуда однозначно следует, что лантан не связывается с основаниями ДНК в большой бороздке. Он локализован на фосфатных группах и образует одновременно связи с достаточно разнесёнными вдоль цепи группами, чтобы такое связывание спровоцировало формирование участков параллельно уложенных в клубке сегментов. Средняя точка перехода в протонированное состояние даёт рК = 4,75.

Несомненно, самым интересным свойством ионов лантана является их способность компактизовать макромолекулы в растворе с формированием наночастиц ДНК [18]. Так что рассмотренное выше падение вязкости растворов ДНК с ростом С^а) относится к состоянию макромолекулы до компактизации. При увеличении концентрации лантана удельная вязкость раствора ДНК падает до нуля и практически не отличается от вязкости растворителя, что указывает на формирование компактных структур (рис. 4).

9000-1

8000

1

• 2

^ 7000-

Рис. 3. Зависимость коэффицциента молярной экс-тинкции ДНК от рН для свободной ДНК (1) и ДНК в комплексе с лантаном (2) в 0,005М ШС!; С(Ьа) = 10~6М

•

6000

3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 РН

Рис. 4. Зависимость удельной вязкости растворов ДНК в 0,005М МаС! от концентрации ЬаС!з; концентрация ДНК в растворах: 0,011%

0 20 40 ' 60 ' 80 ' 100 С(Ьа)405, М

Таким образом, проведённые исследования показали, что ионы лантана связываются с молекулой ДНК по фосфатным группам, образуя при этом скрепки между удалёнными по цепи сегментами. Такое связывание приводит к внутримолекулярной реорганизации клубка с появлением взаимно ориентированных участков цепи без изменения формы и асимметрии макромолекулы в растворе. При достижении больших концентраций ионов лантана в растворе происходит компактизация ДНК с образованием наноразмерных структур. Вязкость раствора ДНК при этом практически не отличается от вязкости растворителя.

Литература

1. Hagerman P. Investigation of the flexibility of DNA using transient electric birefringence // Biopolymers. 1981. Vol. 20. P. 1503-1535.

2. ФрисманЭ.В., Касьяненко Н. А. Гидродинамическое и оптическое поведение молекулы ДНК в растворах большой ионной силы // Молек. биология. 1990. Вып. 2. С. 301-317.

3. Odijk Т. Polyeieclroiytes near rod limit //J. Polym. Sci. Polym. Phys. Ed. 1977. Vol. 15, N 3. P. 47-483.

4. Skolnik J., Fixman M. Electrostatic persistent length of a wormlike polyelectrolyte // Macromolecules. 1977. Vol. 1, N 5. P. 944-948.

5. Fixman M. The flexibility of polyelectrolyte molecules // J. Chem. Phys. 1982. Vol. 76, N 12. P. 6346-6353.

6. FrusawaH., ItoK., Hayakawa R. Linear polyelectrolytes in solutions // Rep. Progr. Polymer Phys. Jap. 2000. Vol. 43. P. 81-110.

7. Brinkers S., Dietrich H. R. C., de GrooteF. H. et al. The persistence length of double stranded DNA determined using dark field tethered particle motion //J. Chem. Phys. 2009. Vol. 130. 215105.

8. ChenH., Meisburger S. P., PabitS.A. et al. Ionic strength-dependent persistence lengths of single-stranded RNA and DNA // PNAS. 2012. Vol. 109, N 3. P. 799-804.

9. LiuZ., Wang H.-L., CotletM. Energy transfer from a cationic conjugated polyelectrolyte to a DNA photonic wire: Toward label-free, sequence-specific DNA sensing // Chem. Mater. 2014. Vol. 26, N 9. P. 2900-2906.

10. Marion I. D., GrgicinD., Salamon K. et al. Polyelectrolyte composite: Hyaluronic acid mixture with DNA // Macromolecules. 2015. Vol. 48, N 8. P. 2686-2696.

11. Pan W., Zhou J., Yin Y. et al. Local de-condensation of double-stranded DNA in oppositely charged polyelectrolyte as induced by spermidine // Soft Matter. 2015. Advance Article.

12. NetzR. R., And,elmo,nD. Neutral and charged polymers at interfaces // Phys. Rep. 2003. Vol. 380. P. 1-95.

13. Gubarev A., Carrillo J.-M. Y., DobryninA. V. Scale-dependent electrostatic stiffening in biopolymer // Macromolecules. 2009. Vol. 42. P. 5851-5860.

14. LatinwoF., HsiaoK., SchroederC.M. Nonequilibrium thermodynamics of dilute polymer solutions in flow // J. Chem. Phys. 2014. Vol. 141. 174903.

15. Nepal M., YanivA., Shafran E., Krichevsky O. Structure of DNA coils in dilute and semidilute solutions // Phys. Rev. Lett. 2013. Vol. 110. 058102.

16. Касьяненко Н. А., Дьяконова Н. Е., ФрисманЭ.В. Исследование конфомации молекулы ДНК при её взаимодействии с двухвалентными ионами в растворе // Молек. биология. 1989. T. 23. C. 835-841.

17. Kasyanenko N., Afanasieva D. DNA self-assembling nanostructures induced by trivalent ions and polycations // NATO Security through Science (C): Env. Sec. 2008. Р. 29-38.

18. Kasyanenko N. A., Mukhin D. A., Perevyazko I. Yu. Conformational changes of a DNA molecule induced by metal complexes formed in solution // Polymer Sci. (C). 2010. Vol. 52, N 1. Р. 122-133.

19. Kasyanenko N., Arikainen N., Frisman E. Investigation of DNA complexes with iron ions in solution // Biophys. Chem. 1998. Vol. 70, N 2. P. 93-100.

20. Kasyanenko N. A., ZaninaA. V, Nazarova O. V., Panarin E. F. DNA interaction with complex ions in solutions // Langmuir. 1999. Vol. 15, N 23. P. 7912-7917.

21. Frisman E. V., ShchaginaL.V., Vorobev V. I. Glass rotating viscometer // Biorheology. 1965. Vol. 2. P. 189-194.

22. Kasyanenko N. A., Bartoshevich S. F., Frisman E. V. Study of influence of pH media on conformation of DNA molecule // Mol. Biol. 1985. Vol. 19, N 5. P. 1386-1393.

References

1. Hagerman P. Investigation of the flexibility of DNA using transient electric birefringence. Biopolymers., 1981, vol. 20, pp.1503-1535.

2. Frisman E.V., Kas'ianenko N.A. Gidrodinamicheskoe i opticheskoe povedenie molekuly DNK v rastvo-rakh bol'shoi ionnoi sily [Hydrodynamic and optical behavior of a molecule of DNA in solutions of big ionic force]. Molek. biologiia [Molecular Biology], 1990, iss. 2, pp.301—317.

3. Odijk T. Polyeieclroiytes near rod limit. J. Polym. Sci. Polym. Phys. Ed., 1977, vol. 15, no 3, pp.47—483.

4. Skolnik J., Fixman M. Electrostatic persistent length of a wormlike polyelectrolyte. Macromolecules, 1977, vol. 1, no 5, pp.944—948.

5. Fixman M. The flexibility of polyelectrolyte molecules. J. Chem. Phys., 1982, vol. 76, no 12, pp.6346—6353.

6. Frusawa H., Ito K., Hayakawa R. Linear polyelectrolytes in solutions. Rep. Progr. Polymer Phys. Jap., 2000, vol. 43, pp.81-110.

7. Brinkers S., Dietrich H.R.C., de Groote F.H. et al. The persistence length of double stranded DNA determined using dark field tethered particle motion. J. Chem. Phys., 2009, vol. 130. 215105.

8. Chen H., Meisburger S.P., Pabit S.A. et al. Ionic strength-dependent persistence lengths of single-stranded RNA and DNA. PNAS., 2012, vol. 109, no 3, pp.799-804.

9. Liu Z., Wang H.-L., Cotlet M. Energy transfer from a cationic conjugated polyelectrolyte to a DNA photonic wire: Toward label-free, sequence-specific DNA sensing. Chem. Mater., 2014, vol. 26, no 9, pp.2900—2906.

10. Marion I.D., Grgicin D., Salamon K. et al. Polyelectrolyte composite: Hyaluronic acid mixture with DNA. Macromolecules, 2015, vol. 48, no 8, pp.2686-2696.

11. Pan W., Zhou J., Yin Y. et al. Local de-condensation of double-stranded DNA in oppositely charged polyelectrolyte as induced by spermidine. Soft Matter., 2015. Advance Article.

12. Netz R.R., Andelman D. Neutral and charged polymers at interfaces. Phys. Rep., 2003, vol. 380, pp.1—95.

13. Gubarev A., Carrillo J.-M.Y., Dobrynin A.V. Scale-dependent electrostatic stiffening in biopolymer. Macromolecules, 2009, vol. 42, pp.5851-5860.

14. Latinwo F., Hsiao K., Schroeder C.M. Nonequilibrium thermodynamics of dilute polymer solutions in flow. J. Chem. Phys., 2014, vol. 141. 174903.

15. Nepal M., Yaniv A., Shafran E., Krichevsky O. Structure of DNA coils in dilute and semidilute solutions. Phys. Rev. Lett., 2013, vol. 110. 058102.

16. Kas'ianenko N.A., D'iakonova N.E., Frisman E.V. Issledovanie konfomatsii molekuly DNK pri ee vzaimodeistvii s dvukhvalentnymi ionami v rastvore [Research of a konfomation of a molecule of DNA at its interaction with bivalent ions in solution]. Molek. biologiia [Molecular Biology], 1989, vol. 23, pp.835—841.

17. Kasyanenko N., Afanasieva D. DNA self-assembling nanostructures induced by trivalent ions and polycations. NATO Security through Science (C): Env. Sec., 2008, pp.29—38.

18. Kasyanenko N.A., Mukhin D.A., Perevyazko I.Yu. Conformational changes of a DNA molecule induced by metal complexes formed in solution. Polymer Sci. (C), 2010, vol. 52, no 1, pp.122—133.

19. Kasyanenko N., Arikainen N., Frisman E. Investigation of DNA complexes with iron ions in solution. Biophys. Chem., 1998, vol. 70, no 2, pp.93-100.

20. Kasyanenko N.A., Zanina A.V, Nazarova O.V., Panarin E.F. DNA interaction with complex ions in solutions. Langmuir, 1999, vol. 15, no 23, pp.7912—7917.

21. Frisman E.V., Shchagina L.V., Vorobev V.I. Glass rotating viscometer. Biorheology, 1965, vol. 2, pp.189—194.

22. Kasyanenko N.A., Bartoshevich S.F., Frisman E.V. Study of influence of pH media on conformation of DNA molecule. Mol. Biol.., 1985, vol. 19, no 5, pp.1386-1393.

Статья поступила в редакцию 19 мая 2015 г.

Контактная информация

Касьяненко Нина Анатольевна — доктор физико-математических наук, профессор; e-mail: nkasyanenko@mail.ru

Сморыго Владимир Виктороович — студент.

Kasyanenko Nina A. — Doctor of Physics and Mathematics, Professor; e-mail: nkasyanenko@mail.ru

Smorygo V. V. — student.