vestnik Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества Ecological Bulletin of Research Centers of the Black Sea Economic Cooperation 1729-5459 Кубанский государственный университет RU 1123 10.31429/vestnik-22-4-62-68 Научная статья Original article Физика Physics Влияние изотопного H/D-обмена на стабильность CAG тракта гена ATXN2 при различных значениях вязкости внешней среды The influence of isotopic H/D exchange on the stability of the CAG tract of the ATXN2 gene at different values ​​of environmental viscosity https://orcid.org/0000-0002-4541-6494 Лясота О.М. Лясота Оксана Михайловна Lyasota Oksana M. 4098789@mail.ru

научный сотрудник лаборатории проблем распределения стабильных изотопов в живых системах Южного научного центра РАН, младший научный сотрудник научно-исследовательской части Кубанского государственного университета

 https://orcid.org/0000-0002-4540-0660 Леонтьева О.А. Леонтьева Ольга Александровна Leontyeva Olga A. 89002926536ola@gmail.com

магистрант кафедры физики и информационных систем Кубанского государственного университета, стажер-исследователь лаборатории проблем распределения стабильных изотопов в живых системах Южного научного центра РАН

 https://orcid.org/0009-0004-8159-1523 Рубайло А.Д. Рубайло Александра Денисовна Rubailo Alexandra D. rubailo.alexandra@gmail.com

бакалавр кафедры физики и информационных систем Кубанского государственного университета

 https://orcid.org/0000-0002-2130-3516 Барышева Е.В. Барышева Екатерина Владимировна Barysheva Ekaterina V. baryshev_mg@mail.ru

канд. мед. наук, доцент кафедры морфологии человека Российского биотехнологического университета

 https://orcid.org/0009-0007-5874-5901 Козлова Е.А. Козлова Елена Алексеевна Kozlova Elena A. elena141204@gmail.com

бакалавр кафедры физики и информационных систем Кубанского государственного университета

 https://orcid.org/0000-0002-4406-444X Эрнандес Касерес Х.Л. Эрнандес Касерес Хосе Луис Hernandez Caceres Jose Luis kacerjlh@gmail.com

старший научный сотрудник Кубинского центра нейронаук

 Южный научный центр РАН;Кубанский государственный университетSouthern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences;Kuban State University Кубанский государственный университетKuban State University Российский биотехнологический университетRussian Technological University Кубинский центр нейронаукCuban Center for Neurosciences 02 12 2025 22 4 62 68 10 11 2025 25 11 2025 02 12 2025 Copyright (c) 2025 Лясота О.М., Леонтьева О.А., Рубайло А.Д., Барышева Е.В., Козлова Е.А., Эрнандес Касерес Х.Л. 2025 Лясота О.М., Леонтьева О.А., Рубайло А.Д., Барышева Е.В., Козлова Е.А., Эрнандес Касерес Х.Л. Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.

В работе методами математического моделирования исследована стабильность CAG-тракта гена ATXN2 при однократной H/D-замене и различных значениях вязкости внешней среды. Установлено, что увеличение вязкости снижает вероятность формирования зон открытых состояний молекулы ДНК, в то время как снижение вязкости стимулирует динамическую подвижность и рост числа открытых состояний. Показано, что однократная H/D-замена способствует дополнительной локальной стабилизации структуры за счет более прочной дейтериевой связи. Полученные результаты подчеркивают значимость влияния физических параметров среды на конформационную устойчивость и динамику молекулы ДНК.

Using mathematical modeling, we investigated the stability of the CAG tract of the ATXN2 gene after a single H/D substitution and various environmental viscosities. It was found that increasing viscosity reduces the likelihood of forming open-state zones in the DNA molecule, while decreasing viscosity stimulates dynamic mobility and an increase in the number of open states. A single H/D substitution was shown to promote additional local stabilization of the structure due to a stronger deuterium bond. These results highlight the importance of environmental physical parameters in influencing the conformational stability and dynamics of the DNA molecule.

 изотопный обмен дейтерий вязкость ДНК математическая модель ATXN2 isotope exchange deuterium viscosity DNA mathematical model ATXN2 Публикация подготовлена в рамках реализации ГЗ ЮНЦ РАН на 2025 г., № гос. рег. 125011700394-5. The publication was prepared within the framework of the implementation of the State Task Force of the Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences for 2025, state registration number 125011700394-5. Dzhimak, S.S., Drobotenko, M.I., Dorohova, A.A., Coarse-grained mathematical models for studying mechanical properties of the DNA. Biophysical Reviews, 2025. DOI: 10.1007/s12551-025-01339-1 Kumar, S., Mishra, G., Statistical mechanics of DNA unzipping under periodic force: scaling behavior of hysteresis loops. Physical Review Letters, 2013, vol. 110, iss. 25, pp. 258102. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.258102 Libbrecht, M.W., Noble, W.S., Machine learning applications in genetics and genomics. Nature Reviews Genetics, 2015, vol. 16, iss. 6, pp. 321–332. DOI: 10.1038/nrg3920 Olson, W.K., Young, R.T., Czapla, L., DNA simulation benchmarks revealed with the accumulation of high-resolution structures. Biophysical Reviews, 2024, vol. 16, iss. 3, pp. 275–284. DOI: 10.1007/s12551-024-01198-2 Fedulova, L.V., Drobotenko, M.I., Dorohova, A.A., Vasilevskaya, E.R., Svidlov, A.A., Chernukha, I.M., Dzhimak, S.S., Genesis of similar collective states in DNA molecules under various viscosity of the medium and external torque. Journal of Biomolecular Structure and Dynamics, 2025. DOI: 10.1080/07391102.2025.2524406 Yakushevich, L.V., Nonlinear DNA Dynamics: A New Model. Physics Letters A, 1989, vol. 136, pp. 413–417. DOI: 10.1016/0375-9601(89)90425-8 Dorohova, A., Lyasota, O., Dzhimak, S., Svidlov, A., Leontyeva, O., Drobotenko, M., Fluctuations in Medium Viscosity May Affect the Stability of the CAG Tract in the ATXN2 Gene. Biomedicines, 2024, vol. 12, iss. 10, p. 2396. DOI: 10.3390/biomedicines12102396 Butour, J.L., Macquet, J.P., Viscosity, nicking, thermal and alkaline denaturation studies on three classes of DNA-platinum complex. Biochimica et Biophysica Acta, 1981, vol. 653, iss. 3, pp. 305–315. DOI: 10.1016/0005-2787(81)90187-8 Koenig, V.L., Carrier, W.L., Rahn, R.O., Viscosity studies on DNA and the observation of double-stranded and single-stranded breaks in a 40{%} DMSO-phosphate buffer system. International Journal of Biochemistry, 1974, vol. 5, iss. 7–8, pp. 601–611. DOI: 10.1016/0020-711X(74)90022-6 Джимак, С.С., Дроботенко, М.И., Басов, А.А., Свидлов, А.А., Федулова, Л.В., Лясота, О.М., Барышев, М.Г., Математическое моделирование возникновения открытых состояний в молекуле ДНК в зависимости от концентрации дейтерия в окружающей жидкой среде при разных значениях энергии разрыва водородной связи. Доклады Академии наук, 2018, т. 483, № 5, c. 564–566. DOI: 10.31857/S086956520003310-4 Laffita-Mesa, J.M., Ataxin-2 gene: a powerful modulator of neurological disorders. Neurogenetics, 2021, vol. 22, iss. 3, pp. 209–220. DOI: 10.1097/WCO.0000000000000959 Costa, R.G., Conceic{c} {a}o, A., Matos, C.A., Nobrega, C., The polyglutamine protein ATXN2: from its molecular functions to its involvement in disease. Cell Death and Disease, 2024, vol. 15, p. 415. DOI: 10.1038/s41419-024-06812-5 Douglas, A.G.L., Penetrance and pleiotropy in ATXN2-related amyotrophic lateral sclerosis. European Journal of Human Genetics, 2025, vol. 33, pp. 1093–1095. DOI: 10.1038/s41431-025-01882-1 Pulst, S.M., Spinocerebellar Ataxia Type 2. Seattle, University of Washington, 1998. Kumar, M., Tyagi, N., Faruq, M., The molecular mechanisms of spinocerebellar ataxias for DNA repeat expansion in disease. Emerging Topics in Life Sciences, 2023, vol. 7, iss. 3, pp. 289–312. DOI: 10.1042/ETLS20230013 Egorova, P.A., Bezprozvanny, I.B., Molecular Mechanisms and Therapeutics for Spinocerebellar Ataxia Type 2. Neurotherapeutics, 2019, vol. 16, iss. 4, pp. 1050–1073. DOI: 10.1007/s13311-019-00777-6 Sobczak, K., Krzyzosiak, W.J., CAG repeats containing CAA interruptions form branched hairpin structures in spinocerebellar ataxia type 2 transcripts. Journal of Biological Chemistry, 2005, vol. 280, iss. 5, pp. 3898–3910. DOI: 10.1074/jbc.M409984200 Miller, B.R., Parish, C.A., Wu, E.Y., Molecular dynamics study of the opening mechanism for DNA polymerase I. PLOS Computational Biology, 2014, vol. 10, iss. 12, p. e1003961. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1003961 Drobotenko, M.I., Velázquez-Pérez, L., Dorohova, A.A., Lyasota, O.M., Hernandez-Caceres, J.L., Rodriguez-Labrada, R., Svidlov, A.A., Leontyeva, O.A., Baryshev, M.G., Nechipurenko, Y.D., Dzhimak, S.S., Genesis of additional open state zones in the extended polyQ tract of the ATXN2 gene depends on its length and interruptions localization. Archives of Biochemistry and Biophysics, 2025, vol. 772, p. 110531. DOI: 10.1016/j.abb.2025.110531 Englander, S.W., Kallenbach, N.R., Heeger, A.J., Krumhansl, J.A., Litwin, S., Soliton-like states for opening in polynucleotide double helices. Ferroelectrics, 1980, vol. 30, iss. 1, pp. 167. DOI: 10.1080/00150198008209510 Дроботенко, М.И., Джимак, С.С., Свидлов, А.А., Басов, А.А., Лясота, О.М., Барышев, М.Г., Математическая модель двухцепочечной молекулы ДНК с учетом открытых состояний. Биофизика, 2018, Т. 63, № 2, c. 258–264. DOI: 10.1134/S0006350918020069 Svidlov, A.A., Drobotenko, M.I., Basov, A.A., Baryshev, M.G., Dzhimak, S.S., Influence of the 2H/1H Isotope Composition of the Water Environment on the Probability of Denaturation Bubble Formation in a DNA Molecule. Physics of Wave Phenomena, 2021, vol. 29, iss. 2, pp. 180–185. DOI: 10.3103/S1541308X2102014X Лясота, О.М., Дорохова, А.А., Дроботенко, М.И., Джимак, С.С., Программа для расчета открытых состояний в последовательности ДНК в зависимости от длины тринуклеотидых повторов. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2025618875, 08.04.2025. Заявка № 2025617199 от 01.04.2025. Drobotenko, M.I., Lyasota, O.M., Hernandez-Caceres, J.L., Rodriguez Labrada, R., Svidlov, A.A., Dorohova, А.A., Baryshev, M.G., Nechipurenko, Y.D., Velázquez Pérez, L., Dzhimak, S.S., Abnormal open states patterns in the ATXN2 DNA sequence depends on the CAG repeats length. International Journal of Biological Macromolecules, 2024, vol. 276, iss. 1, p. 133849. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2024.133849