Влияние изотопного H/D-обмена на стабильность CAG тракта гена ATXN2 при различных значениях вязкости внешней среды

Авторы

  • Лясота О.М. Южный научный центр РАН;Кубанский государственный университет, Российская Федерация ORCID iD 0000-0002-4541-6494
  • Леонтьева О.А. Южный научный центр РАН;Кубанский государственный университет, Российская Федерация ORCID iD 0000-0002-4540-0660
  • Рубайло А.Д. Кубанский государственный университет, Российская Федерация ORCID iD 0009-0004-8159-1523
  • Барышева Е.В. Российский биотехнологический университет, Российская Федерация ORCID iD 0000-0002-2130-3516
  • Козлова Е.А. Кубанский государственный университет, Российская Федерация ORCID iD 0009-0007-5874-5901
  • Эрнандес Касерес Х.Л. Кубинский центр нейронаук, Куба ORCID iD 0000-0002-4406-444X

УДК

538.9

EDN

WRDEPF

DOI:

10.31429/vestnik-22-4-62-68

Аннотация

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.

Ключевые слова:

изотопный обмен, дейтерий, вязкость, ДНК, математическая модель, ATXN2

Информация о финансировании

Публикация подготовлена в рамках реализации ГЗ ЮНЦ РАН на 2025 г., № гос. рег. 125011700394-5.

Информация об авторах

  • Оксана Михайловна Лясота

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

  • Ольга Александровна Леонтьева

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

  • Александра Денисовна Рубайло

    бакалавр кафедры физики и информационных систем Кубанского государственного университета

  • Екатерина Владимировна Барышева

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

  • Елена Алексеевна Козлова

    бакалавр кафедры физики и информационных систем Кубанского государственного университета

  • Хосе Луис Эрнандес Касерес

    старший научный сотрудник Кубинского центра нейронаук

Библиографические ссылки

  1. 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
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  5. 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
  6. 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
  7. 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
  8. 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
  9. 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
  10. 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. [Dzhimak, S.S., Drobotenko, M.I., Basov, A.A., Svidlov, A.A., Fedulova, L.V., Lyasota, O.M., Baryshev, M.G., Mathematical modeling of the emergence of open states in the DNA molecule depending on the concentration of deuterium in the surrounding liquid medium at different values of hydrogen bond rupture energy. Doklady Akademii nauk, 2018, vol. 483, iss. 5, pp. 564–566 (in Russian)] DOI: 10.31857/S086956520003310-4
  11. 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
  12. 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
  13. 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
  14. Pulst, S.M., Spinocerebellar Ataxia Type 2. Seattle, University of Washington, 1998.
  15. 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
  16. 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
  17. 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
  18. 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
  19. 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
  20. 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
  21. 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. [Drobotenko M.I., Dzhimak S.S., Svidlov A.A., Lyasota O.M., Baryshev M.G., A Mathematical Model for Basepair Opening in a DNA Double Helix. Biophysics, 2018, vol. 63, iss. 2, pp. 177–182 (in Russian)] DOI: 10.1134/S0006350918020069
  22. 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
  23. 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. [Lyasota, O.M., Dorohova, A.A., Drobotenko, M.I., Dzhimak, S.S., Program for calculating open states in the DNA sequence depending on the length of trinucleotide repeats. Certificate of registration of computer program RU 2025618875, 2025. Application № 2025617199 dated 01.04.2025 (in Russian)]
  24. 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

Скачивания

Данные по скачиваниям пока не доступны.

Загрузки

Выпуск

Том 22 (2025) № 4

Страницы

62-68

Раздел

Физика

Даты

Поступила в редакцию

10 ноября 2025

Принята к публикации

25 ноября 2025

Публикация

2 декабря 2025

Как цитировать

[1]
Лясота, О.М., Леонтьева, О.А., Рубайло, А.Д., Барышева, Е.В., Козлова, Е.А., Эрнандес Касерес, Х.Л., Влияние изотопного H/D-обмена на стабильность CAG тракта гена ATXN2 при различных значениях вязкости внешней среды. Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества, 2025, т. 22, № 4, pp. 62–68. DOI: 10.31429/vestnik-22-4-62-68

Лицензия

Copyright (c) 2025 Лясота О.М., Леонтьева О.А., Рубайло А.Д., Барышева Е.В., Козлова Е.А., Эрнандес Касерес Х.Л.

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.

Похожие статьи

1-10 из 193

Вы также можете начать расширенный поиск похожих статей для этой статьи.