Флуоресцентные подходы обнаружения G4-структур ДНК в модельных системах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Тевонян Лиана Лёваевна

• Тевонян Лиана Лёваевна
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Тевонян Лиана Лёваевна

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Флуоресценция нуклеотидов и их производных и проблемы их оптического обнаружения

1.2 Вторичные структуры ДНК

1.3 Подходы обнаружения G4-структур

2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Материалы

2.2 Методы

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

3 СОБСТВЕННАЯ ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ G4-ДНК

3.1 Роль фланкирующих последовательностей на флуоресценцию

3.2 Влияние нуклеотидной последовательности и длины петель на флуоресценцию G4-ДНК

3.3 Флуоресценция природных последовательностей из промоторных участков онкогенов

3.4 Структурные изменения отдельных квартетов G4 и их влияние на флуоресценцию

3.5 Возможный механизм возникновения собственной флуоресценции 04-ДНК

4 СОБСТВЕННАЯ ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ПРИРОДНЫХ НУКЛЕОТИДОВ В РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ

4.1 Усиление собственной флуоресценции гуанина зависит от депротонирования

4.2 Образование комплекса ионов цинка и его влияние на фотофизические свойства природного гуанина в щелочных условиях

4.3 Усиление собственной флуоресценции пуринов зависит от протонирования

4.4 Флуоресценция протонированного гуанина в различных структурах ДНК

4.5 Флуоресценция протонированных олигонуклеотидов, формирующих G4-структуры ДНК

4.6 Защита G4-структуры ДНК от апуринизации, вызванной протонированием

5 ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЕ ЛИГАНДЫ, СПЕЦИФИЧНЫЕ К G4-СТРУКТУРАМ

5.1 Влияние низкомолекулярных лигандов на собственную флуоресценцию G-квадруплексных структур ДНК

5.2 Взаимодействие красителей NMM, ThT, ТО с G4-структурами в конкуренции с двойной спиралью ДНК

5.3 Разработка флуоресцентного зонда, способного специфически распознавать G4 в окружении наличии дуплекса ДНК

5.4 Специфичное тушение флуоресцентной метки с использованием лигандов TMPyP4 NMM, PDS для детекции квадруплексов в двойной спирали ДНК

ВЫВОДЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

БЛАГОДАРНОСТЬ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Флуоресцентные подходы обнаружения G4-структур ДНК в модельных системах»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования и степень ее разработанности

Структура ДНК главным образом представлена в виде антипараллельной двойной спирали. Однако в ряде клеточных процессов в ДНК могут происходить конформационные изменения, что может приводить к образованию альтернативных структур. Одной из таких структур ДНК является О-квадруплекс. О-квадруплексы (О4) формируются гуанин-богатыми последовательностями ДНК, которые широко представлены в геномах высших организмов. О4-структуры играют важную роль в регуляции генов, репликации ДНК, защите теломер и клеточном ответе на стресс, оказывают существенное влияние на стабильность генома и участвуют в регуляции клеточного деления. Эти структуры часто локализуются в промоторных областях генов, что делает их перспективными объектами для исследования механизмов регуляции генов и разработки новых стратегий противоопухолевой терапии.

Поэтому разработка новых оптических методов детекции О4-ДНК является актуальной задачей. Современные методы обнаружения О4-структур, как правило, связаны с потенциальными ограничениями: они могут нарушать естественную динамику сворачивания О4-структур или изменять их термодинамические свойства. Особое внимание уделяется исследованию фотофизических свойств О4-структур. Изучение этих характеристик может помочь раскрыть механизмы формирования и стабилизации О4-ДНК. Такое понимание может расширить наши знания о структурных вариациях ДНК и их функциональной значимости.

Одним из уникальных свойств О4-структур является их флуоресценция под воздействием ультрафиолетового излучения. Это явление было обнаружено для некоторых ДНК-последовательностей, формирующих О4-структуры. Несмотря на предложенные гипотезы о природе этой флуоресценции, точный механизм её возникновения и структура флуорофора остаются неизвестными. Понимание

механизма собственной флуоресценции 04 не только важно для расширения фундаментальных знаний, но также может потенциально способствовать развитию новых технологий в будущем. Эти технологии могут быть основаны на уникальных структурных и фотофизических свойствах нуклеиновых кислот, формирующих как канонические, так и неканонические структуры ДНК. Для исследования 04 в модельных системах требуется разработка новых флуоресцентных подходов, которые бы минимально влияли на термодинамические и структурные свойства нативного состояния этих альтернативных форм ДНК. Такие методы позволят глубже понять поведение 04 в их естественной среде, что критически важно для их точного изучения и потенциального применения в биомедицинских исследованиях и терапии.

Цель: Использование флуоресцентных подходов для обнаружения и выявления структурных особенностей G4-ДНК.

Для достижения этой цели были поставлены следующие экспериментальные задачи:

1. Изучение спектральных характеристик собственной флуоресценции 04-структур и определение обобщающих факторов, влияющих на этот процесс.

2. Использование собственной флуоресценции природных нуклеотидов и их производных для визуализации G4-структур в модельных системах.

3. Поиск флуоресцентных красителей, специфичных к неканоническим 04-структурам, и исследование их спектральных свойств.

4. Апробация флуоресцентных подходов для обнаружения G4 на модельных структурах ДНК.

Научная новизна

В работе впервые было проведено систематическое исследование флуоресцентных свойств G-квадруплексных структур. Сравнение конформационных особенностей G4-ДНК с флуоресцентными характеристиками входящих в их состав нуклеотидов позволило установить связь между конформационными и флуоресцентными характеристиками. Были использованы специальные подходы, позволившие модулировать конформации G4-ДНК, что позволило детально установить связь между её структурой и флуоресцентными свойствами. Это дало возможность предложить механизм возникновения собственной флуоресценции G4-ДНК. Показано, что флуоресценция G4-ДНК обусловлена геометрией квартетов и изменённой электронной структурой гуанинов. В данной работе также впервые описаны флуоресцентные свойства немодифицированных гуанинов при депротонировании и протонировании. Впервые были исследованы флуоресцентные свойства природных последовательностей G4-ДНК, а также были найдены новые флуоресцентные красители, специфичные к G4-структуре.

Теоретическая и практическая значимость работы

В результате выполнения данной диссертационной работы был предложен механизм возникновения собственной флуоресценции G4-ДНК. Установление этого механизма имеет фундаментальное значение и может способствовать развитию прикладных направлений, включая новые методы обнаружения структур нуклеиновых кислот. В работе показано, что протонирование оснований существенно влияет на структуры ДНК и их оптические свойства. При этом основное внимание уделяется протонированию гуанина in situ, усиливающему внутреннюю флуоресценцию в зависимости от вторичной структуры ДНК.

Исследование взаимодействия лигандов с G4-ДНК как в одноцепочечном контексте, так и в контексте дуплекса расширяет наше понимание о

04-структурах в условиях, приближенных к геномному окружению. Полученные результаты обогащают наши знания о фотофизических свойствах G4-ДНК и дополняют арсенал оптических методов для изучения конформации нуклеиновых кислот.

Методология исследования

В работе применялись классические и современные молекулярно-биологические и биофизические методы. Для изучения флуоресцентных свойств G4 исследовались спектральные характеристики различных олигонуклеотидов, включая ДНК-промоторы онкогенов и теломер. Спектральные характеристики включали анализ спектров флуоресценции и возбуждения, анизотропии и времени жизни затухания, тушение флуоресценции, вытеснение методом G4-FID, спектров поглощения и кругового дихроизма. Связывание катионов металлов и лигандов исследовалось методом титрования для определения аффинности и стехиометрии. Конформационные параметры, длина водородных связей в G4 квартете определялись по структурам из базы данных PDB. Образование G4-структуры в дуплексной ДНК детектировали с использованием ПААГ-электрофореза.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Исследована связь между конформациями и флуоресцентными свойствами G4-структур. Показано, что последовательности, образующие параллельную G4-ДНК, имеют наибольшую интенсивность флуоресценции с максимумом в длине волны 390 нм при возбуждении в 280 нм.

2. Незначительные изменения в локальном окружении G4-структур могут приводить к изменению флуоресценции. Протонирование по атому N7 вызывает флуоресценцию гуанина, аналогичную 04, с максимумом около 390 нм.

3. Предложена модель, согласно которой флуоресценция G4-ДНК обусловлена геометрией квартетов и изменённой электронной структурой гуанинов.

4. Показано, что связывание низкомолекулярных лигандов с G4-ДНК приводят к тушению её собственной флуоресценции, не вызывая существенных изменений конформации G4.

5. Предложен метод определения специфичности связывания красителей с G4-структурой по сравнению со связыванием с двойной спиралью ДНК.

6. Охарактеризовано связывание лигандов с квадруплексной структурой в составе дуплекса ДНК.

Апробация результатов работы и степен достоверности

Научные утверждения, выводы и рекомендации, изложенные в работе, основываются на результатах, опубликованных в трех статьях, индексируемых в международных базах данных, Web of Science, Scopus и РИНЦ. Основные тезисы диссертации были представлены на семи всероссийских и международных научных конференциях.

Личный вклад автора

В ходе научной работы для достижения цели исследования автор осуществил анализ научной литературы. Все результаты, их обработка и формулировка выводов были выполнены лично автором или при его непосредственном участии. Результаты работы были подготовлены и опубликованы в ведущих международных и отечественных журналах и представлены в виде докладов на конференциях различного уровня.

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа состоит из следующих разделов: «Введение», «Обзор литературы», «Материалы и методы», «Результаты и обсуждение», «Заключение», «Выводы», «Список сокращений» и «Список литературы». Работа изложена на 121 страницах машинописного текста и включает 48 рисунков и 3 таблицы. Список литературы содержит 123 источника.

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Флуоресценция нуклеотидов и их производных и проблемы их оптического обнаружения

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — это основная молекула, которая хранит и передает генетическую информацию у всех живых организмов. Она состоит из нуклеотидов, каждый из которых включает азотистое основание, сахар дезоксирибозу и остаток фосфорной кислоты. Азотистые основания способны поглощать ультрафиолетовый свет с максимумом в 260 нм но при этом обладают удивительной фотостабильностью. Пурины (Рисунок 1А) и пиримидины (Рисунок 1Б) являются строительными блоками РНК и ДНК. Исследования флуоресцентных свойств природных нуклеотидов активно ведутся в течение последних 40 лет.

A

Б

о

N4.

Рисунок 1 — Структура азотистых оснований: гуаназин и аденозин (А), цитидин и тимидин (Б).

Флуоресценция природных нуклеотидов

Флуоресценция нуклеотидов предоставляет важную информацию для детального понимания статических и динамических аспектов электронно-возбужденных состояний нуклеиновых кислот. Эти данные критически важны для оценки молекулярных механизмов, лежащих в основе процессов возбужденных состояний хромофоров и возможного излучения. Более того, изучение фотофизического и фотохимического поведения мономерных компонентов ДНК и РНК необходимо для глубокого понимания структуры ДНК (РНК) на молекулярном уровне. Анализ локальной подвижности и механизмов фотоиндуцированных процессов может сыграть ключевую роль в изучении возникновения мутаций ДНК в клетках [1, 2]. Именно поэтому за последнее десятилетие наблюдается значительный рост экспериментальных и вычислительных исследований, посвященных электронно-возбужденным состояниям нуклеиновых кислот. Сравнение флуоресценции ДНК олигонуклеотидов с флуоресценцией их мономерных звеньев имеет смысл только в том случае, если свойства мономера описаны с высокой точностью. С экспериментальной точки зрения основной проблемой было отслеживание за временной динамикой заселения первого синглетного возбужденного состояния ^лл*) с достаточно высоким временным разрешением. Динамика флуоресценции нуклеотидов ДНК была предметом многочисленных исследований. Общим выводом из этих работ является то, что синглетно-возбужденное состояние нуклеотидов характеризуется очень коротким временем жизни, менее 1 пикосекунды, и низким квантовым выходом, приблизительно 10-4 [3-7] (Рисунок 2). Значительный прогресс в исследовании флуоресцентных свойств природных нуклеиновых кислот был, достигнут благодаря использованию фемтосекундных лазеров. Современные источники возбуждения, вместе с новыми методами регистрации флуоресценции, позволили проводить высокоточные измерения флуоресцентных характеристик нуклеотидов и нуклеозидов, углубляя наше понимание их фотофизического поведения [8, 9]. Важным выводом из этих

и последующих экспериментальных исследований стало понимание того, что собственная флуоресценция ДНК сравнительно слабая и спектры оптического излучения практически неразличимы [10-14]. По этой причине собственная флуоресценция нуклеотидов никогда не использовались для оптического обнаружения и дифференциации нуклеиновых оснований. Для достижения уровня квантового выхода флуоресценции, достаточного для детектирования с помощью стандартных спектрофлуорометров и микроскопов в физиологических условиях, необходимы значительные модификации структуры нуклеиновых оснований [15, 16].

1012345012345

Время, пс

Рисунок 2 — Кривые затухания флуоресценции четырех нуклеозидов (черный) и нуклеотидов (красный). Структура азотистых оснований представлена на соответствующих панелях. Адаптировано из [17].

Химически-модифицированные нуклеотиды

В настоящее время для понимания конформационных особенностей ДНК широко используются модифицированные нуклеотиды как структурные инструменты. Химические модификации могут либо поддерживать спаривание оснований по принципу Уотсона-Крика, сохраняя "каноническую" комплементарность пар, либо вносить значительные изменения, способствующие формированию неканонических спариваний. Флуоресцентные аналоги нуклеотидов сыграли революционную роль в изучении нуклеиновых кислот как in vitro, так и in vivo, предоставляя возможности для обнаружения, визуализации и анализа структур нуклеиновых кислот. Впервые флуоресцентные аналоги нуклеотидов были упомянуты более полувека назад. В 1969 году Уорд сообщил об исследовании 2-аминопурина (2АР), формицина и 2,6-диаминопурина [18]. Все три соединения флуоресцентные аналоги аденозина участвуют в спаривании оснований а также в разнообразных ферментативных реакциях, включая репликацию нуклеиновых кислот. Полимеры, содержащие любую желаемую долю этих аналогов, могут быть синтезированы с использованием ферментов, полимеризующих нуклеотиды. Изменение положения аминогрупп в азотистом основании значительно влияет на электронную структуру хромофора. Это, в свою очередь, сказывается на оптических свойствах поглощения и флуоресценции. Важно отметить, что такие изменения остаются стабильными в широком диапазоне физиологических условий [18].

2-Аминопурин (2-АР) широко используются для изучения структуры и функций нуклеиновых кислот. Особенностью 2-АР являются его уникальные флуоресцентные свойства: максимальное поглощение света приходится на длину волны 310 нм, а флуоресценция наблюдается при 370 нм [19, 20]. Квантовый выход этого соединения в водном растворе составляет приблизительно 0.68, что превышает на три порядка показатели природных оснований ДНК [21, 22]. Кинетика затухания флуоресценции моноэкспоненциальна с временем жизни возбужденного состояния около 12 нс [23]. Эти свойства делают его особенно

полезным для изучения взаимодействий между белками и ДНК, а также процессов репликации, транскрипции и репарации ДНК [24, 25]. Эффективность 2-АР как флуоресцентного аналога не только определяется его базовыми характеристиками, но и сильно зависит от структурного контекста, в котором он используется. Флуоресценция 2-АР чувствительна к изменениям молекулярного окружения, что позволяет использовать его в качестве индикатора для отслеживания локальных структурных и динамических изменений в нуклеиновых кислотах. В частности, флуоресценция 2-АР значительно уменьшается при встраивании в двойную спираль ДНК, поскольку водородные связи и стэкинговые взаимодействия с соседними основаниями ограничивают его вибрационные и ротационные движения, что приводит к уменьшению флуоресценции. Статическое тушение флуоресценции наблюдается при образовании стекинга с пуриновыми основаниями, в то время как динамическое тушение наблюдается при стекинге с пиримидиновыми основаниями [26]. При нарушениях структуры ДНК вызванных, например, её повреждением или взаимодействием с белками, флуоресценция 2-АР может усиливаться. Это свойство делает его ценным инструментом для детектирования и количественного анализа подобных изменений. Благодаря этим особенностям 2-АР широко применяется как зонд для исследования структурных и динамических изменений в ДНК [27, 28].

Помимо 2-АР ещё один ярко-флуоресцентный аналог аденина, это этеноаденин, также известный как 1,№-этеноаденозин. Он образуется в ходе химической реакции между нуклеозидами и а-галогенкарбониловыми реагентами, в результате чего формируется дополнительное гетероциклическое кольцо. Синтез этеноаденина проходит через несколько этапов: начинается с конденсации карбонильной группы а-галогенкарбонилового реагента с экзоциклической аминогруппой аденозина, ведущей к образованию нестабильного промежуточного соединения. Далее происходит внутримолекулярная циклизация этого соединения и образование стабильного интермедиата, дегидратации которого приводит к окончательному продукту - 1,К6-этеноаденозину [29]. Встраивание этеноаденина

и этеноцитозина в РНК-олигонуклеотиды существенно снижает их способность к образованию пар оснований, подтверждая тем самым невозможность этих модифицированных нуклеотидов формировать пары оснований с природными нуклеотидами. Эти изменения также полностью блокируют процесс транскрипции при взаимодействии с обратной транскриптазой, что открывает новые возможности для их использования в исследованиях и модификациях генетического материала [30].

В 1990-х годах были разработаны пиримидиновые флуоресцентные аналоги, такие как 5-метил-2-пиримидинон Маклафлина [31] и птеридины Хокинса [32]. В исследованиях было установлено, что включение этих аналогов в ДНК приводило к снижению флуоресценции пиримидиновых аналогов. В этот же период были синтезированы первые C-гликозидные флуоресцентные нуклеотиды, в которых флуоресцентная метка соединена с сахарной частью нуклеотида через углерод-углеродную связь, отличающуюся от традиционной ^гликозидной связи природных нуклеотидов [33].

С начала 2000-х годов исследования по созданию новых флуоресцентных нуклеотидов начали стремительно развиваться. Это было связано с технологическим прогрессом в области секвенирования ДНК и РНК, основанного на флуоресцентной детекции. Флуоресцентные нуклеотиды стали важным инструментом, позволяющим улучшить точность и скорость анализа а также дифференцирования нуклеотидов в составе нуклеиновых кислот, что открывает новые возможности в молекулярной биологии и медицине. На сегодняшний день разработаны сотни флуоресцентных нуклеиновых оснований, каждое из которых обладает уникальными свойствами для укладки и спаривания в контексте природных последовательностей [34-37].

Для обнаружения ДНК без меток на уровне отдельных пар оснований в биологических объектах необходимы альтернативные подходы. Изменение локального окружения молекулы, такие как, рН раствора и температуры, могут способствовать увеличению квантового выхода нуклеотидов. Кроме того,

структура и конформация ДНК оказывают значительное влияние на естественную флуоресценцию нуклеотидов, как это наблюдалось в случае G4 и ьмотивов по сравнению с одно- и двуцепочечной ДНК [38].

Флуоресценция нуклеотидов в комплексе с ионами цинка

В рамках поиска альтернативных методов обнаружения ДНК, особое внимание заслуживает изучение флуоресценции природных нуклеотидов в комплексе с ионами металлов. Было показано, что образование комплексов природных нуклеотидов ДНК с ионами цинка позволяет детектировать флуоресценцию нуклеотидов в физиологических условиях [39, 40]. Ионы 7п2+ обладают высокой аффинностью к ДНК и связываются с её отрицательно заряженными фосфатными группами посредством кулоновского притяжения. Кроме того, они могут координировать с атомами азота и кислорода в гетероциклических кольцах нуклеотидных оснований. Например, они взаимодействуют с непротонированным эндоциклическим атомом азота и экзоциклическими карбонильными атомами кислорода. Для гуанина особенно важно, что существуют два основных места связывания ионов металлов: атомы азота N7 пятичленного кольца и N1 шестичленного кольца. Эти сайты являются ключевыми для координации ионов цинка и других металлов, что играет важную роль в изменении конформации и стабильности ДНК. Для пиримидинов дезоксицитидинмонофосфата ^СМР) и дезокситимидинмонофосфата (dTMP) наиболее вероятным местом связывания ионов металла, является атом азота N3 [41]. В исследовании 2013 года, проведённом Лиангом и его коллегами, было показано, что взаимодействие дезоксигуанозинмонофосфата (dGMP) с ионами цинка (7П+) приводит к значительному увеличению квантового выхода флуоресценции — на два порядка по сравнению с dGMP в растворе [42].

Более поздние исследования, проведённые Омерзу и Труелем, подтвердили, что флуоресценция пуриновых оснований, таких как dGMP и dAMP, в присутствии ионов цинка значительно выше по сравнению с пиримидиновыми

основаниями [41]. Для dGMP интенсивность флуоресценции в присутствии 7п2+ оказалась наиболее высокой.

Рисунок 3 - Изменение спектров флуоресценции нуклеотидов при титровании ионами 2п2+. Адаптировано из [41].

Рисунок 3 наглядно демонстрирует спектры флуоресценции четырех природных нуклеотидов при различной концентрации ионов цинка, показывая заметное увеличение интенсивности флуоресценции в диапазоне 330-400 нм при их взаимодействии с цинком. Для детального изучения механизма усиления флуоресценции и мест связывания ионов цинка с пуриновыми основаниями, авторы проанализировали изменения в спектрах флуоресценции метилированных гуанина и аденина, при этом метилирование производилось в положениях N1 и N7. Их исследования показали, что взаимодействие ионов цинка с азотом в положении N7 как гуанина, так и аденина является ключевым фактором, который значительно усиливает флуоресценцию. Полученные спектры флуоресценции уникальны для каждого нуклеотида, и авторы предположили, что флуоресцентные особенности комплексов нуклеотидов с ионами цинка могут

быть использованы для различения нуклеотидной последовательности в составе ДНК (Рисунок 3).

Предполагается, что образование комплексов ДНК с ионами 7п2+ в слабощелочных водных растворах ведет к значительному увеличению флуоресценции ДНК. Это увеличение флуоресценции, вероятно, связано с изменениями в нижней незанятой молекулярной орбитали (LUMO) пуринов, вызванными их взаимодействием с ионами 7п2+ в ^-позиции. В нашей работе мы углубляемся в изучение этого феномена, проводя детальный анализ взаимодействия ионов цинка с гуанином при различных значениях рН.

1.2 Вторичные структуры ДНК

Структура и конформация ДНК также могут влиять на собственную флуоресценцию природных нуклеотидов, как было показано для G4 и ьмотивов по сравнению с одноцепочечной и двуцепочечной ДНК. Было показано, что собственную флуоресценцию можно использовать для анализа различных вторичных структур ДНК [38]. В частности, авторы указывают, что О-квадруплексы, благодаря их уникальной структуре, демонстрируют более высокую интенсивность флуоресценции по сравнению с двуцепочечной ДНК. Это связано с их способностью стабилизироваться и формировать более компактные структуры, что может приводить к уменьшению вероятности безызлучательных переходов и усиливать интенсивность флуоресценции. Аналогично, ьмотивы, которые образуются в богатых цитозином последовательностях при слабо-кислых значениях рН, показывают отличительные флуоресцентные свойства, что позволяет использовать их для определения и типирования структур в биологических системах. Таким образом, понимание и использование флуоресценции О4 открывает новые возможности для исследования структурных особенностей ДНК.

Двойная спираль ДНК

В 1953 году Джеймс Уотсон и Френсис Крик представили структуру ДНК в виде двойной спирали, основываясь на данных рентгеновской дифракции [43]. Обычно в физиологических условиях ДНК принимает каноническую В-форму [44]. Тем не менее, в ходе различных клеточных процессов возможны конформационные изменения, которые могут привести к формированию альтернативных структур ДНК, образованных внутримолекулярным сворачиванием одной из нитей ДНК, или состоящих из двух и более цепей.

Протонирование или депротонирование нуклеотидов строго зависит от рН среды. Константа диссоциации протона (рКа) зависит от структуры нуклеотида и места протонирования [45, 46]. Эти процессы могут существенно изменять электронную структуру нуклеотидных оснований, что, в свою очередь, влияет на их спектральные свойства, включая абсорбцию и флуоресценцию [47, 48]. Исследования показывают, что протонирование полинуклеотидов обычно происходит в кислом диапазоне рН, от 3 до 5. Эффективность и места протонирования варьируются в зависимости от типа нуклеотидной кислоты, окружающих оснований и структурной организации макромолекулы, будь то одноцепочечная или двухцепочечная ДНК [49, 50]. В одноцепочечной ДНК при снижении значения рН протонирование происходит в следующем порядке: цитозин, аденин и гуанин [51]. В двухцепочечной ДНК процесс протонирования пар G:C более сложный и включает формирование неканонических пар оснований, что делает этот процесс предметом активных научных дискуссий [51, 52]. Рисунок 4 схематично демонстрирует протонированные пары оснований G:C. В случае образования пар оснований по Хугстину, гуанин может принимать анти-или син-конформацию в сочетании с протонированным цитозином, демонстрируя структурную адаптивность этих нуклеотидных пар.

Watson-Crick G:C

Wobble W-C G+C+

h,n

n O-------N.H2

x W /Vv

nh2------o ^

Hoogsteen anty-G:C+

i>---------nh2_

h2Anh o W

o ^

I^nh

vN

//

/------hn

nh-------

'' w

o

>

nh

Hoogsteen syn-G: C+

hn

______hn,

n.h2

Рисунок 4 — Возможные пары G:C при протонировании двухцепочечной

ДНК.

Изучение процессов протонирования и депротонирования в контексте нуклеиновых кислот открывает новые перспективы для понимания их биологической функциональности и структурной динамики. Особое внимание в данной работе уделено влиянию изменений рН на флуоресцентные свойства нуклеотидов, что имеет значительные последствия для биохимических исследований и разработки новых диагностических подходов. Несмотря на многочисленные исследования протонирования нуклеотидов, до нашего исследования работ, посвящённых описанию протонирования ДНК в неканонических структурах и его влияния на флуоресценцию ДНК, не было известно. Мы подробно анализируем изменения флуоресценции нуклеотидов в одноцепочечной и двухцепочечной ДНК, а также G4-структуры при протонировании в кислой среде рН.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тевонян Лиана Лёваевна, 2024 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Georghiou S., Bradrick T. D., Philippetis A., Beechem J. M. Large-amplitude picosecond anisotropy decay of the intrinsic fluorescence of double-stranded DNA // Biophys J. - 1996. - T. 70, № 4. - C. 1909-22.

2. Crespo-Hernández C. E., Cohen B., Hare P. M., Kohler B. Ultrafast excited-state dynamics in nucleic acids // Chem Rev. - 2004. - T. 104, № 4. - C. 1977-2019.

3. Callis P. R. Polarized fluorescence and estimated lifetimes of the DNA bases at room temperature // Chemical Physics Letters. - 1979. - T. 61. - C. 568-570.

4. Middleton C. T., de La Harpe K., Su C., Law Y. K., Crespo-Hernández C. E., Kohler B. DNA excited-state dynamics: from single bases to the double helix // Annu Rev Phys Chem. - 2009. - T. 60. - C. 217-39.

5. Gustavsson T., Sharonov A., Markovitsi D. Thymine, thymidine and thymidine 5'-monophosphate studied by femtosecond fluorescence upconversion spectroscopy // Chemical Physics Letters. - 2002. - T. 351, № 3. - C. 195-200.

6. Blancafort L., Cohen B., Hare P. M., Kohler B., Robb M. A. Singlet excited-state dynamics of 5-fluorocytosine and Cytosine: an experimental and computational study // J Phys Chem A. - 2005. - T. 109, № 20. - C. 4431-6.

7. Gustavsson T., Bányász Á., Lazzarotto E., Markovitsi D., Scalmani G., Frisch M. J., Barone V., Improta R. Singlet Excited-State Behavior of Uracil and Thymine in Aqueous Solution: A Combined Experimental and Computational Study of 11 Uracil Derivatives // Journal of the American Chemical Society. - 2006. - T. 128, № 2. - C. 607-619.

8. Peon J., Zewail A. DNA/RNA nucleotides and nucleosides: Direct measurement of excited-state lifetimes by femtosecond fluorescence up-conversion // Chemical Physics Letters. - 2001. - T. 348. - C. 255-262.

9. Canuel C., Mons M., Piuzzi F., Tardivel B., Dimicoli I., Elhanine M. Excited states dynamics of DNA and RNA bases: Characterization of a stepwise deactivation pathway in the gas phase // The Journal of Chemical Physics. - 2005. - T. 122, № 7.

10. Onidas D., Markovitsi D., Marguet S., Sharonov A., Gustavsson T. Fluorescence Properties of DNA Nucleosides and Nucleotides: A Refined Steady-State and Femtosecond Investigation // The Journal of Physical Chemistry B. - 2002. - T. 106, № 43. - C. 11367-11374.

11. Pancur T., Schwalb N. K., Renth F., Temps F. Femtosecond fluorescence up-conversion spectroscopy of adenine and adenosine: experimental evidence for the no* state? // Chemical Physics. - 2005. - T. 313, № 1. - C. 199-212.

12. Karunakaran V., Kleinermanns K., Improta R., Kovalenko S. A. Photoinduced dynamics of guanosine monophosphate in water from broad-band transient absorption spectroscopy and quantum-chemical calculations // J Am Chem Soc. - 2009. - T. 131, № 16. - C. 5839-50.

13. Sharonov A., Gustavsson T., Carré V., Renault E., Markovitsi D. Cytosine excited state dynamics studied by femtosecond spectroscopy // Chemical Physics Letters. -2003. - T. 380. - C. 173-180.

14. Kwok W. M., Ma C., Phillips D. L. A doorway state leads to photostability or triplet photodamage in thymine DNA // J Am Chem Soc. - 2008. - T. 130, № 15. - C. 5131-9.

15. Xu W., Chan K. M., Kool E. T. Fluorescent nucleobases as tools for studying DNA and RNA // Nature Chemistry. - 2017. - T. 9, № 11. - C. 1043-1055.

16. McKenzie L. K., El-Khoury R., Thorpe J. D., Damha M. J., Hollenstein M. Recent progress in non-native nucleic acid modifications // Chemical Society Reviews. - 2021. - T. 50, № 8. - C. 5126-5164.

17. Gustavsson T., Improta R., Markovitsi D. DNA/RNA: Building Blocks of Life Under UV Irradiation // The Journal of Physical Chemistry Letters. - 2010. - T. 1, № 13. - C. 2025-2030.

18. Ward D. C., Reich E., Stryer L. Fluorescence studies of nucleotides and polynucleotides. I. Formycin, 2-aminopurine riboside, 2,6-diaminopurine riboside, and their derivatives // J Biol Chem. - 1969. - T. 244, № 5. - C. 1228-37.

19. Johnson N. P., Baase W. A., Von Hippel P. H. Low-energy circular dichroism of 2-aminopurine dinucleotide as a probe of local conformation of DNA and RNA // Proc Natl Acad Sci U S A. - 2004. - T. 101, № 10. - C. 3426-31.

20. Gelot T., Touron-Touceda P., Crégut O., Léonard J., Haacke S. Ultrafast Site-Specific Fluorescence Quenching of 2-Aminopurine in a DNA Hairpin Studied by Femtosecond Down-Conversion // The Journal of Physical Chemistry A. - 2012. - T. 116, № 11. - C. 2819-2825.

21. Rachofsky E. L., Osman R., Ross J. B. Probing structure and dynamics of DNA with 2-aminopurine: effects of local environment on fluorescence // Biochemistry. -

2001. - T. 40, № 4. - C. 946-56.

22. Sandin P., Wilhelmsson L. M., Lincoln P., Powers V. E. C., Brown T., Albinsson B. Fluorescent properties of DNA base analogue tC upon incorporation into DNA--negligible influence of neighbouring bases on fluorescence quantum yield // Nucleic acids research. - 2005. - T. 33, № 16. - C. 5019-5025.

23. Lakowicz J. R., Cherek H., Gryczynski I., Joshi N., Johnson M. L. Analysis of fluorescence decay kinetics measured in the frequency domain using distributions of decay times // Biophysical chemistry. - 1987. - T. 28, № 1. - C. 35-50.

24. Manuela J. R., John P. M. Fluorescent Nucleotide Base Analogs as Probes of Nucleic Acid Structure, Dynamics and Interactions // Current Organic Chemistry. -

2002. - T. 6, № 9. - C. 775-793.

25. Rachofsky E. L., Seibert E., Stivers J. T., Osman R., Ross J. B. Conformation and dynamics of abasic sites in DNA investigated by time-resolved fluorescence of 2-aminopurine // Biochemistry. - 2001. - T. 40, № 4. - C. 957-67.

26. Jean J. M., Hall K. B. 2-Aminopurine fluorescence quenching and lifetimes: role of base stacking // Proc Natl Acad Sci U S A. - 2001. - T. 98, № 1. - C. 37-41.

27. Maranto A. R. Neuronal mapping: a photooxidation reaction makes Lucifer yellow useful for electron microscopy // Science. - 1982. - T. 217, № 4563. - C. 953-5.

28. Bohnke H., Rottger K., Ingle R. A., Marroux H. J. B., Bohnsack M., Schwalb N. K., Orr-Ewing A. J. Electronic Relaxation Dynamics of UV-Photoexcited 2-Aminopurine-

Thymine Base Pairs in Watson-Crick and Hoogsteen Conformations // J Phys Chem B. - 2019. - T. 123, № 13. - C. 2904-2914.

29. Jahnz-Wechmann Z., Framski G. R., Januszczyk P. A., Boryski J. Base-Modified Nucleosides: Etheno Derivatives // Frontiers in Chemistry. - 2016. - T. 4.

30. Calabretta A., Leumann C. J. Base Pairing and Miscoding Properties of 1,N6-Ethenoadenine- and 3,N4-Ethenocytosine-Containing RNA Oligonucleotides // Biochemistry. - 2013. - T. 52, № 11. - C. 1990-1997.

31. Wu P. G., Nordlund T. M., Gildea B., McLaughlin L. W. Base stacking and unstacking as determined from a DNA decamer containing a fluorescent base // Biochemistry. - 1990. - T. 29, № 27. - C. 6508-14.

32. Hawkins M. E., Pfleiderer W., Mazumder A., Pommier Y. G., Balis F. M. Incorporation of a fluorescent guanosine analog into oligonucleotides and its application to a real time assay for the HIV-1 integrase 3'-processing reaction // Nucleic acids research. - 1995. - T. 23, № 15. - C. 2872-2880.

33. Ren R. X., Chaudhuri N. C., Paris P. L., Rumney S., Kool E. T. Naphthalene, Phenanthrene, and Pyrene as DNA Base Analogues: Synthesis, Structure, and Fluorescence in DNA // J Am Chem Soc. - 1996. - T. 118, № 33. - C. 7671-7678.

34. Sinkeldam R. W., Greco N. J., Tor Y. Fluorescent Analogs of Biomolecular Building Blocks: Design, Properties, and Applications // Chemical Reviews. - 2010. -T. 110, № 5. - C. 2579-2619.

35. Wilhelmsson L. M. Fluorescent nucleic acid base analogues // Quarterly Reviews of Biophysics. - 2010. - T. 43, № 2. - C. 159-183.

36. Dziuba D., Didier P., Ciaco S., Barth A., Seidel C. A. M., Mély Y. Fundamental photophysics of isomorphic and expanded fluorescent nucleoside analogues // Chemical Society Reviews. - 2021. - T. 50, № 12. - C. 7062-7107.

37. Shtork A., Tsvetkov V., Slushko G., Lushpa V., Severov V., Kamzeeva P., Varizhuk A., Aralov A. Diversifying i-motif-based pH sensors: Labeling patterns tune the intracellular localization // Sensors and Actuators B: Chemical. - 2024. - T. 411. -C. 135747.

38. Zuffo M., Gandolfini A., Heddi B., Granzhan A. Harnessing intrinsic fluorescence for typing of secondary structures of DNA // Nucleic Acids Research. - 2020. - T. 48, № 11. - C. e61-e61.

39. Jiang P., Guo Z. Fluorescent detection of zinc in biological systems: recent development on the design of chemosensors and biosensors // Coordination Chemistry Reviews. - 2004. - T. 248, № 1. - C. 205-229.

40. Kim S. J., Kool E. T. Sensing Metal Ions with DNA Building Blocks: Fluorescent Pyridobenzimidazole Nucleosides // Journal of the American Chemical Society. - 2006.

- T. 128, № 18. - C. 6164-6171.

41. Omerzu A., Turel I. How zinc ions shift and enhance the nucleotide's fluorescence spectra // New Journal of Chemistry. - 2018. - T. 42, № 10. - C. 8145-8150.

42. Liang L. J., Huang C. Z. Spectral study on the unique enhanced fluorescence of guanosine triphosphate by zinc ions // Talanta. - 2013. - T. 104. - C. 198-203.

43. Franklin R. E., Gosling R. G. Molecular configuration in sodium thymonucleate // Nature. - 1953. - T. 171, № 4356. - C. 740-741.

44. Watson J. D., Crick F. H. C. Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid // Nature. - 1953. - T. 171, № 4356. - C. 737-738.

45. Izatt R. M., Christensen J. J., Rytting J. H. Sites and thermodynamic quantities associated with proton and metal ion interaction with ribonucleic acid, deoxyribonucleic acid, and their constituent bases, nucleosides, and nucleotides // Chem Rev. - 1971. - T. 71, № 5. - C. 439-81.

46. Verdolino V., Cammi R., Munk B. H., Schlegel H. B. Calculation of pKa Values of Nucleobases and the Guanine Oxidation Products Guanidinohydantoin and Spiroiminodihydantoin using Density Functional Theory and a Polarizable Continuum Model // The Journal of Physical Chemistry B. - 2008. - T. 112, № 51. - C. 1686016873.

47. Balanikas E., Banyasz A., Baldacchino G., Markovitsi D. Deprotonation Dynamics of Guanine Radical Cations // Photochemistry and Photobiology. - 2022. - T. 98, № 3.

- C. 523-531.

48. Chan R. C.-T., Chan C. T.-L., Ma C., Gu K.-Y., Xie H.-X., Wong A. K.-W., Xiong Q.-W., Wang M.-L., Kwok W.-M. Long living excited state of protonated adenosine unveiled by ultrafast fluorescence spectroscopy and density functional theoretical study // Physical Chemistry Chemical Physics. - 2021. - T. 23, № 11. - C. 6472-6480.

49. Halder A., Bhattacharya S., Datta A., Bhattacharyya D., Mitra A. The role of N7 protonation of guanine in determining the structure, stability and function of RNA base pairs // Physical Chemistry Chemical Physics. - 2015. - T. 17, № 39. - C. 2624926263.

50. Gonzalez-Olvera J. C., Durec M., Marek R., Fiala R., Morales-Garcia M. d. R. J., Gonzalez-Jasso E., Pless R. C. Protonation of Nucleobases in Single- and Double-Stranded DNA // ChemBioChem. - 2018. - T. 19, № 19. - C. 2088-2098.

51. Smol'janinova T. I., Zhidkov V. A., Sokolov G. V. Analysis of difference spectra of protonated DNA: determination of degree of protonation of nitrogen bases and the fractions of disordered nucleotide pairs // Nucleic Acids Res. - 1982. - T. 10, № 6. - C. 2121-34.

52. Nikolova E. N., Goh G. B., Brooks C. L., III, Al-Hashimi H. M. Characterizing the Protonation State of Cytosine in Transient GC Hoogsteen Base Pairs in Duplex DNA // Journal of the American Chemical Society. - 2013. - T. 135, № 18. - C. 6766-6769.

53. Burge S., Parkinson G. N., Hazel P., Todd A. K., Neidle S. Quadruplex DNA: sequence, topology and structure // Nucleic acids research. - 2006. - T. 34, № 19. - C. 5402-5415.

54. Rawal P., Kummarasetti V. B. R., Ravindran J., Kumar N., Halder K., Sharma R., Mukerji M., Das S. K., Chowdhury S. Genome-wide prediction of G4 DNA as regulatory motifs: role in Escherichia coli global regulation // Genome research. - 2006. - T. 16, № 5. - C. 644-655.

55. Huppert J. L. Four-stranded nucleic acids: structure, function and targeting of G-quadruplexes // Chem Soc Rev. - 2008. - T. 37, № 7. - C. 1375-84.

56. Hazel P., Huppert J., Balasubramanian S., Neidle S. Loop-length-dependent folding of G-quadruplexes // J Am Chem Soc. - 2004. - T. 126, № 50. - C. 16405-15.

57. Lane A. N., Chaires J. B., Gray R. D., Trent J. O. Stability and kinetics of G-quadruplex structures // Nucleic acids research. - 2008. - T. 36, № 17. - C. 5482-5515.

58. Amrane S., Adrian M., Heddi B., Serero A., Nicolas A., Mergny J. L., Phan A. T. Formation of pearl-necklace monomorphic G-quadruplexes in the human CEB25 minisatellite // J Am Chem Soc. - 2012. - T. 134, № 13. - C. 5807-16.

59. Mills M., Arimondo P. B., Lacroix L., Garestier T., Hélène C., Klump H., Mergny J. L. Energetics of strand-displacement reactions in triple helices: a spectroscopic study // J Mol Biol. - 1999. - T. 291, № 5. - C. 1035-54.

60. Miyoshi D., Nakao A., Sugimoto N. Molecular crowding regulates the structural switch of the DNA G-quadruplex // Biochemistry. - 2002. - T. 41, № 50. - C. 1501724.

61. Largy E., Marchand A., Amrane S., Gabelica V., Mergny J. L. Quadruplex Turncoats: Cation-Dependent Folding and Stability of Quadruplex-DNA Double Switches // J Am Chem Soc. - 2016. - T. 138, № 8. - C. 2780-92.

62. Bhattacharyya D., Mirihana Arachchilage G., Basu S. Metal Cations in G-Quadruplex Folding and Stability // Frontiers in Chemistry. - 2016. - T. 4.

63. Santos T., Salgado G. F., Cabrita E. J., Cruz C. G-Quadruplexes and Their Ligands: Biophysical Methods to Unravel G-Quadruplex/Ligand Interactions // Pharmaceuticals. - 2021. - T. 14, № 8. - C. 769.

64. Mergny J. L., Phan A. T., Lacroix L. Following G-quartet formation by UV-spectroscopy // FEBS Lett. - 1998. - T. 435, № 1. - C. 74-8.

65. Randazzo A., Spada G. P., da Silva M. W. Circular dichroism of quadruplex structures // Top Curr Chem. - 2013. - T. 330. - C. 67-86.

66. Mendez M. A., Szalai V. A. Fluorescence of unmodified oligonucleotides: A tool to probe G-quadruplex DNA structure // Biopolymers. - 2009. - T. 91, № 10. - C. 841-50.

67. Dao N. T., Haselsberger R., Michel-Beyerle M.-E., Phan A. T. Following G-quadruplex formation by its intrinsic fluorescence // FEBS Letters. - 2011. - T. 585, № 24. - C. 3969-3977.

68. Dao N. T., Haselsberger R., Michel-Beyerle M. E., Phan A. T. Excimer formation by stacking G-quadruplex blocks // Chemphyschem. - 2013. - T. 14, № 12. - C. 2667-71.

69. Gao S., Cao Y., Yan Y., Xiang X., Guo X. Correlations between fluorescence emission and base stacks of nucleic acid G-quadruplexes // RSC Advances. - 2016. - T. 6, № 97. - C. 94531-94538.

70. Sherlock M. E., Rumble C. A., Kwok C. K., Breffke J., Maroncelli M., Bevilacqua P. C. Steady-State and Time-Resolved Studies into the Origin of the Intrinsic Fluorescence of G-Quadruplexes // The Journal of Physical Chemistry B. - 2016. - T. 120, № 23. - C. 5146-5158.

71. Chan C.-Y., Umar M. I., Kwok C. K. Spectroscopic analysis reveals the effect of a single nucleotide bulge on G-quadruplex structures // Chemical Communications. -2019. - T. 55, № 18. - C. 2616-2619.

72. Majerova T., Streckerova T., Bednarova L., Curtis E. A. Sequence Requirements of Intrinsically Fluorescent G-Quadruplexes // Biochemistry. - 2018. - T. 57, № 28. - C. 4052-4062.

73. Gustavsson T., Markovitsi D. Fundamentals of the Intrinsic DNA Fluorescence // Accounts of Chemical Research. - 2021. - T. 54, № 5. - C. 1226-1235.

74. Lech C. J., Phan A. T., Michel-Beyerle M.-E., Voityuk A. A. Electron-Hole Transfer in G-Quadruplexes with Different Tetrad Stacking Geometries: A Combined QM and MD Study // The Journal of Physical Chemistry B. - 2013. - T. 117, № 34. -C. 9851-9856.

75. Improta R. Quantum Mechanical Calculations Unveil the Structure and Properties of the Absorbing and Emitting Excited Electronic States of Guanine Quadruplex // Chemistry - A European Journal. - 2014. - T. 20, № 26. - C. 8106-8115.

76. Lech C. J., Phan A. T., Michel-Beyerle M.-E., Voityuk A. A. Influence of Base Stacking Geometry on the Nature of Excited States in G-Quadruplexes: A Time-Dependent DFT Study // The Journal of Physical Chemistry B. - 2015. - T. 119, № 9. -C. 3697-3705.

77. Paramasivan S., Rujan I., Bolton P. H. Circular dichroism of quadruplex DNAs: applications to structure, cation effects and ligand binding // Methods. - 2007. - T. 43, № 4. - C. 324-31.

78. Biffi G., Di Antonio M., Tannahill D., Balasubramanian S. Visualization and selective chemical targeting of RNA G-quadruplex structures in the cytoplasm of human cells // Nat Chem. - 2014. - T. 6, № 1. - C. 75-80.

79. Biffi G., Tannahill D., McCafferty J., Balasubramanian S. Quantitative visualization of DNA G-quadruplex structures in human cells // Nature Chemistry. - 2013. - T. 5, № 3. - C. 182-186.

80. Henderson A., Wu Y., Huang Y. C., Chavez E. A., Platt J., Johnson F. B., Brosh R. M., Jr., Sen D., Lansdorp P. M. Detection of G-quadruplex DNA in mammalian cells // Nucleic Acids Res. - 2014. - T. 42, № 2. - C. 860-9.

81. Liu H. Y., Zhao Q., Zhang T. P., Wu Y., Xiong Y. X., Wang S. K., Ge Y. L., He J. H., Lv P., Ou T. M., Tan J. H., Li D., Gu L. Q., Ren J., Zhao Y., Huang Z. S. Conformation Selective Antibody Enables Genome Profiling and Leads to Discovery of Parallel G-Quadruplex in Human Telomeres // Cell Chem Biol. - 2016. - T. 23, № 10. -C. 1261-1270.

82. Kwok C. K., Merrick C. J. G-Quadruplexes: Prediction, Characterization, and Biological Application // Trends Biotechnol. - 2017. - T. 35, № 10. - C. 997-1013.

83. Kazemier H. G., Paeschke K., Lansdorp P. M. Guanine quadruplex monoclonal antibody 1H6 cross-reacts with restrained thymidine-rich single stranded DNA // Nucleic Acids Res. - 2017. - T. 45, № 10. - C. 5913-5919.

84. Robinson J., Raguseo F., Nuccio S. P., Liano D., Di Antonio M. DNA G-quadruplex structures: more than simple roadblocks to transcription? // Nucleic Acids Research. -2021. - T. 49, № 15. - C. 8419-8431.

85. Sun Z.-Y., Wang X.-N., Cheng S.-Q., Su X.-X., Ou T.-M. Developing Novel G-Quadruplex Ligands: From Interaction with Nucleic Acids to Interfering with Nucleic Acid-Protein Interaction // Molecules. - 2019. - T. 24, № 3. - C. 396.

86. Asamitsu S., Bando T., Sugiyama H. Ligand Design to Acquire Specificity to Intended G-Quadruplex Structures // Chemistry - A European Journal. - 2019. - T. 25, № 2. - C. 417-430.

87. Sabharwal N. C., Savikhin V., Turek-Herman J. R., Nicoludis J. M., Szalai V. A., Yatsunyk L. A. N-methylmesoporphyrin IX fluorescence as a reporter of strand orientation in guanine quadruplexes // Febs j. - 2014. - T. 281, № 7. - C. 1726-37.

88. Nicoludis J. M., Barrett S. P., Mergny J. L., Yatsunyk L. A. Interaction of human telomeric DNA with N-methyl mesoporphyrin IX // Nucleic Acids Res. - 2012. - T. 40, № 12. - C. 5432-47.

89. Tippana R., Xiao W., Myong S. G-quadruplex conformation and dynamics are determined by loop length and sequence // Nucleic Acids Res. - 2014. - T. 42, № 12. -C. 8106-14.

90. Yett A., Lin L. Y., Beseiso D., Miao J., Yatsunyk L. A. N-methyl mesoporphyrin IX as a highly selective light-up probe for G-quadruplex DNA // J Porphyr Phthalocyanines. - 2019. - T. 23, № 11n12. - C. 1195-1215.

91. Kreig A., Calvert J., Sanoica J., Cullum E., Tipanna R., Myong S. G-quadruplex formation in double strand DNA probed by NMM and CV fluorescence // Nucleic Acids Res. - 2015. - T. 43, № 16. - C. 7961-70.

92. Yuan J.-H., Shao W., Chen S.-B., Huang Z.-S., Tan J.-H. Recent advances in fluorescent probes for G-quadruplex nucleic acids // Biochemical and Biophysical Research Communications. - 2020. - T. 531, № 1. - C. 18-24.

93. Chilka P., Desai N., Datta B. Small molecule fluorescent probes for G-quadruplex visualization as potential cancer theranostic agents // Molecules. - 2019. - T. 24, № 4. -C. 752.

94. Jing S., Liu Q., Jin Y. Dimeric G-Quadruplex: An Effective Nucleic Acid Scaffold for Lighting Up Thioflavin T // Analytical Chemistry. - 2021. - T. 93, № 3. - C. 13331341.

95. Zhang L., Liu X., Lu S., Liu J., Zhong S., Wei Y., Bing T., Zhang N., Shangguan D. Thiazole Orange Styryl Derivatives as Fluorescent Probes for G-Quadruplex DNA // ACS Applied Bio Materials. - 2020. - T. 3, № 5. - C. 2643-2650.

96. Le D. D., Di Antonio M., Chan L. K. M., Balasubramanian S. G-quadruplex ligands exhibit differential G-tetrad selectivity // Chemical Communications. - 2015. - T. 51, № 38. - C. 8048-8050.

97. Zheng K. W., Chen Z., Hao Y. H., Tan Z. Molecular crowding creates an essential environment for the formation of stable G-quadruplexes in long double-stranded DNA // Nucleic Acids Res. - 2010. - T. 38, № 1. - C. 327-38.

98. Brouwer A. M. Standards for photoluminescence quantum yield measurements in solution (IUPAC Technical Report) // Pure and Applied Chemistry. - 2011. - T. 83, № 12. - C. 2213-2228.

99. Suzuki K., Kobayashi A., Kaneko S., Takehira K., Yoshihara T., Ishida H., Shiina Y., Oishi S., Tobita S. Reevaluation of absolute luminescence quantum yields of standard solutions using a spectrometer with an integrating sphere and a back-thinned CCD detector // Physical Chemistry Chemical Physics. - 2009. - T. 11, № 42. - C. 9850-9860.

100. Beniaminov A., Shchyolkina A., Kaluzhny D. Conformational features of intramolecular G4-DNA constrained by single-nucleotide loops // Biochimie. - 2019. -T. 160. - C. 122-128.

101. Gresh N., Sponer J. E., Spackova N. a., Leszczynski J., Sponer J. Theoretical Study of Binding of Hydrated Zn (II) and Mg (II) Cations to 5 '-Guanosine Monophosphate. Toward Polarizable Molecular Mechanics for DNA and RNA // The Journal of Physical Chemistry B. - 2003. - T. 107, № 33. - C. 8669-8681.

102. Sponer J., Sabat M., Gorb L., Leszczynski J., Lippert B., Hobza P. The effect of metal binding to the N7 site of purine nucleotides on their structure, energy, and involvement in base pairing // The Journal of Physical Chemistry B. - 2000. - T. 104, № 31. - C. 7535-7544.

103. Knobloch B., Sigel H., Okruszek A., Sigel R. K. Metal-Ion-Coordinating Properties of the Dinucleotide 2'-Deoxyguanylyl (5'^ 3')-2'-deoxy-5'-guanylate (d (pGpG) 3-): Isomeric Equilibria Including Macrochelated Complexes Relevant for Nucleic Acids // Chemistry-A European Journal. - 2007. - T. 13, № 6. - C. 1804-1814.

104. Da Costa C. P., Sigel H. Acid- Base and Metal Ion Binding Properties of Guanylyl (3 5 ') guanosine (GpG-) and 2 '-Deoxyguanylyl (3 5 ')-2 '-deoxyguanosine [d (GpG)-] in Aqueous Solution // Inorganic chemistry. - 2003. - T. 42, № 11. - C. 34753482.

105. Major D. T., Laxer A., Fischer B. Protonation Studies of Modified Adenine and Adenine Nucleotides by Theoretical Calculations and 15N NMR // The Journal of Organic Chemistry. - 2002. - T. 67, № 3. - C. 790-802.

106. Do N. Q., Lim K. W., Teo M. H., Heddi B., Phan A. T. Stacking of G-quadruplexes: NMR structure of a G-rich oligonucleotide with potential anti-HIV and anticancer activity // Nucleic Acids Res. - 2011. - T. 39, № 21. - C. 9448-57.

107. Do N. Q., Phan A. T. Monomer-Dimer Equilibrium for the 5'-5' Stacking of Propeller-Type Parallel-Stranded G-Quadruplexes: NMR Structural Study // Chemistry - A European Journal. - 2012. - T. 18, № 46. - C. 14752-14759.

108. Mendes E., Aljnadi I. M., Bahls B., Victor B. L., Paulo A. Major Achievements in the Design of Quadruplex-Interactive Small Molecules // Pharmaceuticals. - 2022. - T. 15, № 3. - C. 300.

109. Kaluzhny D., Ilyinsky N., Shchekotikhin A., Sinkevich Y., Tsvetkov P. O., Tsvetkov V., Veselovsky A., Livshits M., Borisova O., Shtil A., Shchyolkina A. Disordering of human telomeric G-quadruplex with novel antiproliferative anthrathiophenedione // PLoS One. - 2011. - T. 6, № 11. - C. e27151.

110. Beniaminov A. D., Novikov R. A., Mamaeva O. K., Mitkevich V. A., Smirnov I. P., Livshits M. A., Shchyolkina A. K., Kaluzhny D. N. Light-induced oxidation of the telomeric G4 DNA in complex with Zn(II) tetracarboxymethyl porphyrin // Nucleic acids research. - 2016. - T. 44, № 21. - C. 10031-10041.

111. Floyd R. A., West M. S., Eneff K. L., Schneider J. E. Methylene blue plus light mediates 8-hydroxyguanine formation in DNA // Archives of Biochemistry and Biophysics. - 1989. - T. 273, № 1. - C. 106-111.

112. Rohs R., Sklenar H., Lavery R., Roder B. Methylene Blue Binding to DNA with Alternating GC Base Sequence: A Modeling Study // Journal of the American Chemical Society. - 2000. - T. 122, № 12. - C. 2860-2866.

113. Siddiqui-Jain A., Grand C. L., Bearss D. J., Hurley L. H. Direct evidence for a G-quadruplex in a promoter region and its targeting with a small molecule to repress c-<i>MYC</i> transcription // Proceedings of the National Academy of Sciences. - 2002. - T. 99, № 18. - C. 11593-11598.

114. Parkinson G. N., Lee M. P. H., Neidle S. Crystal structure of parallel quadruplexes from human telomeric DNA // Nature. - 2002. - T. 417, № 6891. - C. 876-880.

115. Lim K. W., Ng V. C., Martin-Pintado N., Heddi B., Phan A. T. Structure of the human telomere in Na+ solution: an antiparallel (2+2) G-quadruplex scaffold reveals additional diversity // Nucleic Acids Res. - 2013. - T. 41, № 22. - C. 10556-62.

116. Carvalho J., Ferreira J., Pereira P., Coutinho E., Guedin A., Nottelet P., Salgado G. F., Mergny J.-L., Queiroz J. A., Sousa F., Cabrita E. J., Cruz C. Stabilization of novel immunoglobulin switch regions G-quadruplexes by naphthalene and quinoline-based ligands // Tetrahedron. - 2016. - T. 72, № 9. - C. 1229-1237.

117. Huppert J. L., Balasubramanian S. G-quadruplexes in promoters throughout the human genome // Nucleic Acids Res. - 2007. - T. 35, № 2. - C. 406-13.

118. Beniaminov A., Chashchina G., Shchyolkina A., Kaluzhny D. Oxidative probing of the G4 DNA structure induced in double-stranded DNA by molecular crowding or pyridostatin // Biochimie. - 2021. - T. 191. - C. 33-36.

119. Beniaminov A. D., Chashchina G. V., Livshits M. A., Kechko O. I., Mitkevich V. A., Mamaeva O. K., Tevyashova A. N., Shtil A. A., Shchyolkina A. K., Kaluzhny D. N. Discrimination between G/C Binding Sites by Olivomycin A Is Determined by Kinetics of the Drug-DNA Interaction // International Journal of Molecular Sciences. - 2020. -T. 21, № 15. - C. 5299.

120. Rodriguez R., Miller K. M., Forment J. V., Bradshaw C. R., Nikan M., Britton S., Oelschlaegel T., Xhemalce B., Balasubramanian S., Jackson S. P. Small-molecule-induced DNA damage identifies alternative DNA structures in human genes // Nature Chemical Biology. - 2012. - T. 8, № 3. - C. 301-310.

121. Vianney Y. M., Weisz K. High-affinity binding at quadruplex-duplex junctions: rather the rule than the exception // Nucleic Acids Res. - 2022. - T. 50, № 20. - C. 11948-11964.

122. Parkinson G. N., Ghosh R., Neidle S. Structural Basis for Binding of Porphyrin to Human Telomeres // Biochemistry. - 2007. - T. 46, № 9. - C. 2390-2397.

123. Nicoludis J. M., Miller S. T., Jeffrey P. D., Barrett S. P., Rablen P. R., Lawton T. J., Yatsunyk L. A. Optimized End-Stacking Provides Specificity of N-Methyl Mesoporphyrin IX for Human Telomeric G-Quadruplex DNA // Journal of the American Chemical Society. - 2012. - T. 134, № 50. - C. 20446-20456.