Влияние производных 8-оксо-1,N6-этеноаденина на работу РНК-полимераз вируса SARS-CoV-2 и бактерии Escherichia coli
- Авторы: Петушков И.В.1,2, Аралов А.В.3,4, Иванов И.А.3,5, Баранов М.С.3,6, Зацепин Т.С.7, Кульбачинский А.В.1,2
-
Учреждения:
- Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
- Институт биологии гена РАН
- ФГБУН ГНЦ РФ «Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова» Российской академии наук
- Российский университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы
- Общество с ограниченной ответственностью «Органикум»
- Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н.И. Пирогова
- Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
- Выпуск: Том 89, № 12 (2024)
- Страницы: 2132-2144
- Раздел: Статьи
- URL: https://rjeid.com/0320-9725/article/view/677487
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0320972524120099
- EDN: https://elibrary.ru/IFBLLS
- ID: 677487
Цитировать
Аннотация
Бактериальные и вирусные РНК-полимеразы являются перспективными мишенями для разработки новых ингибиторов транскрипции. Одним из потенциальных блокаторов синтеза РНК является 7,8-дигидро-8-оксо-1,N6-этеноаденин (oxo-εA) – синтетическое соединение, которое представляет собой комбинацию двух модификаций аденина: 8-оксоаденина (oxo-A) и 1,N6-этеноаденина (εA). В данном исследовании мы синтезировали oxo-εA-трифосфат (oxo-εATP) и показали, что он может включаться РНК-зависимой РНК-полимеразой вируса SARS-CoV-2 в состав синтезируемой РНК напротив матричных остатков A и G в присутствии ионов Mn2+. В случае РНК-полимеразы Escherichia coli включение происходит напротив остатков A в матричной цепи ДНК. В случае нахождения oxo-εA вместо аденина в матричной цепи ДНК происходит полная остановка транскрипции в месте модификации. В то же время oxo-εAТР не подавляет синтез РНК обеими РНК-полимеразами в присутствии немодифицированных нуклеотидов, то есть не может эффективно конкурировать с природными субстратами. Таким образом, oxo-εA-модификация значительно нарушает матричные свойства нуклеотида при синтезе РНК РНК-полимеразами разных классов, и соответствующие производные нуклеотидов не являются потенциальными противовирусными или антибактериальными ингибиторами транскрипции.
Полный текст

Об авторах
И. В. Петушков
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»; Институт биологии гена РАН
Автор, ответственный за переписку.
Email: telomer1@rambler.ru
Россия, 123182 Москва; 119334 Москва
А. В. Аралов
ФГБУН ГНЦ РФ «Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова» Российской академии наук; Российский университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы
Email: telomer1@rambler.ru
Россия, 117997 Москва; 117198 Москва
И. А. Иванов
ФГБУН ГНЦ РФ «Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова» Российской академии наук; Общество с ограниченной ответственностью «Органикум»
Email: telomer1@rambler.ru
Россия, 117997 Москва; 127486 Москва
М. С. Баранов
ФГБУН ГНЦ РФ «Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова» Российской академии наук; Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н.И. Пирогова
Email: telomer1@rambler.ru
Россия, 117997 Москва; 117997 Москва
Т. С. Зацепин
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Email: telomer1@rambler.ru
химический факультет
Россия, 119991 МоскваА. В. Кульбачинский
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»; Институт биологии гена РАН
Email: avkulb@yandex.ru
Россия, 123182 Москва; 119334 Москва
Список литературы
- Aralov, A. V., Gubina, N., Cabrero, C., Tsvetkov, V. B., Turaev, A. V., Fedeles, B. I., Croy, R. G., Isaakova, E. A., Melnik, D., Dukova, S., Ryazantsev, D. Y., Khrulev, A. A., Varizhuk, A. M., Gonzalez, C., Zatsepin, T. S., and Essigmann, J. M. (2022) 7,8-Dihydro-8-oxo-1,N6-ethenoadenine: an exclusively Hoogsteen-paired thymine mimic in DNA that induces A-->T transversions in Escherichia coli, Nucleic Acids Res., 50, 3056-3069, https:// doi.org/10.1093/nar/gkac148.
- Kim, D., Lee, J.-Y., Yang, J.-S., Kim, J. W., Kim, V. N., and Chang, H. (2020) The architecture of SARS-CoV-2 transcriptome, Cell, 181, 914-921.e910, https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.04.011.
- Hillen, H. S., Kokic, G., Farnung, L., Dienemann, C., Tegunov, D., and Cramer, P. (2020) Structure of replicating SARS-CoV-2 polymerase, Nature, 584, 154-156, https://doi.org/10.1038/s41586-020-2368-8.
- Shannon, A., Selisko, B., Le, N. T., Huchting, J., Touret, F., Piorkowski, G., Fattorini, V., Ferron, F., Decroly, E., Meier, C., Coutard, B., Peersen, O., and Canard, B. (2020) Rapid incorporation of Favipiravir by the fast and permissive viral RNA polymerase complex results in SARS-CoV-2 lethal mutagenesis, Nat. Commun., 11, 4682, https://doi.org/10.1038/s41467-020-18463-z.
- Yin, X., Popa, H., Stapon, A., Bouda, E., and Garcia-Diaz, M. (2023) Fidelity of ribonucleotide incorporation by the SARS-CoV-2 replication complex, J. Mol. Biol., 435, 167973, https://doi.org/10.1016/j.jmb.2023.167973.
- Moeller, N. H., Shi, K., Demir, O., Belica, C., Banerjee, S., Yin, L., Durfee, C., Amaro, R. E., and Aihara, H. (2022) Structure and dynamics of SARS-CoV-2 proofreading exoribonuclease ExoN, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 119, https://doi.org/10.1073/pnas.2106379119.
- Drake, J. W., and Holland, J. J. (1999) Mutation rates among RNA viruses, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 96, 13910-13913, https://doi.org/10.1073/pnas.96.24.13910.
- Jenkins, G. M., Rambaut, A., Pybus, O. G., and Holmes, E. C. (2002) Rates of molecular evolution in RNA viruses: a quantitative phylogenetic analysis, J. Mol. Evol., 54, 156-165, https://doi.org/10.1007/s00239-001-0064-3.
- Sanjuan, R., Nebot, M. R., Chirico, N., Mansky, L. M., and Belshaw, R. (2010) Viral mutation rates, J. Virol., 84, 9733-9748, https://doi.org/10.1128/JVI.00694-10.
- Jones, A. N., Mourao, A., Czarna, A., Matsuda, A., Fino, R., Pyrc, K., Sattler, M., and Popowicz, G. M. (2022) Characterization of SARS-CoV-2 replication complex elongation and proofreading activity, Sci. Rep., 12, 9593, https://doi.org/10.1038/s41598-022-13380-1.
- Petushkov, I., Esyunina, D., and Kulbachinskiy, A. (2023) Effects of natural RNA modifications on the activity of SARS-CoV-2 RNA-dependent RNA polymerase, FEBS J., 290, 80-92, https://doi.org/10.1111/febs.16587.
- Sacramento, C. Q., Fintelman-Rodrigues, N., Temerozo, J. R., da Silva, A. P. D., Dias, S., da Silva, C. D. S., Ferreira, A. C., Mattos, M., Pao, C. R. R., de Freitas, C. S., Soares, V. C., Hoelz, L. V. B., Fernandes, T. V. A., Branco, F. S. C., Bastos, M. M., Boechat, N., Saraiva, F. B., Ferreira, M. A., Jockusch, S., Wang, X., Tao, C., Chien, M., Xie, W., Patel, D., et al. (2021) In vitro antiviral activity of the anti-HCV drugs daclatasvir and sofosbuvir against SARS-CoV-2, the aetiological agent of COVID-19, J. Antimicrob. Chemother., 76, 1874-1885, https://doi.org/ 10.1093/jac/dkab072.
- Jockusch, S., Tao, C., Li, X., Chien, M., Kumar, S., Morozova, I., Kalachikov, S., Russo, J. J., and Ju, J. (2020) Sofosbuvir terminated RNA is more resistant to SARS-CoV-2 proofreader than RNA terminated by Remdesivir, Sci. Rep., 10, 16577, https://doi.org/10.1038/s41598-020-73641-9.
- Kokic, G., Hillen, H. S., Tegunov, D., Dienemann, C., Seitz, F., Schmitzova, J., Farnung, L., Siewert, A., Hobartner, C., and Cramer, P. (2021) Mechanism of SARS-CoV-2 polymerase stalling by remdesivir, Nat. Commun., 12, 279, https://doi.org/10.1038/s41467-020-20542-0.
- Yin, W. M. C., Luan, X., Shen, D. D., Shen, Q., Su, H., Wang, X., Zhou, F., Zhao, W., Gao, M., Chang, S., Xie, Y. C., Tian, G., Jiang, H. W., Tao, S. C., Shen, J., Jiang, Y., Jiang, H., Xu, Y., Zhang, S., Zhang, Y., and Xu, H. E. (2020) Structural basis for inhibition of the RNA-dependent RNA polymerase from SARS-CoV-2 by remdesivir, Science, 368, 1499-1504, https://doi.org/10.1126/science.abc1560.
- Kabinger, F. S. C., Schmitzová, J., Dienemann, C., Kokic, G., Hillen, H. S., Höbartner, C., and Cramer, P. (2021) Mechanism of molnupiravir-induced SARS-CoV-2 mutagenesis, Nat. Struct. Mol. Biol., 28, 740-746, https:// doi.org/10.1038/s41594-021-00651-0.
- Wang, J., Shi, Y., Reiss, K., Maschietto, F., Lolis, E., Konigsberg, W. H., Lisi, G. P., and Batista, V. S. (2022) Structural insights into binding of remdesivir triphosphate within the replication–transcription complex of SARS-CoV-2, Biochemistry, 61, 1966-1973, https://doi.org/10.1021/acs.biochem.2c00341.
- Gordon, C. J., Tchesnokov, E. P., Woolner, E., Perry, J. K., Feng, J. Y., Porter, D. P., and Götte, M. (2020) Remdesivir is a direct-acting antiviral that inhibits RNA-dependent RNA polymerase from severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 with high potency, J. Biol. Chem., 295, 6785-6797, https://doi.org/10.1074/jbc. RA120.013679.
- Gordon, C. J., Tchesnokov, E. P., Schinazi, R. F., and Götte, M. (2021) Molnupiravir promotes SARS-CoV-2 mutagenesis via the RNA template, J. Biol. Chem., 297, 100770, https://doi.org/10.1016/j.jbc.2021.100770.
- Tchesnokov, E. P., Gordon, C. J., Woolner, E., Kocinkova, D., Perry, J. K., Feng, J. Y., Porter, D. P., and Götte, M. (2020) Template-dependent inhibition of coronavirus RNA-dependent RNA polymerase by remdesivir reveals a second mechanism of action, J. Biol. Chem., 295, 16156-16165, https://doi.org/10.1074/jbc. AC120.015720.
- Luo, X., Wang, X., Yao, Y., Gao, X., and Zhang, L. (2022) Unveiling the “template-dependent” inhibition on the viral transcription of SARS-CoV-2, J. Phys. Chem. Lett., 13, 7197-7205, https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.2c01314.
- Apostle, A., Yin, Y., Chillar, K., Eriyagama, A., Arneson, R., Burke, E., Fang, S., and Yuan, Y. (2023) Effects of epitranscriptomic RNA modifications on the catalytic activity of the SARS-CoV-2 replication complex, Chembiochem, 24, https://doi.org/10.1002/cbic.202300095.
- Iyer, L. M., and Aravind, L. (2012) Insights from the architecture of the bacterial transcription apparatus, J. Struct. Biol., 179, 299-319, https://doi.org/10.1016/j.jsb.2011.12.013.
- Steitz, T. A. (1998) A mechanism for all polymerases, Nature, 391, 231-232, https://doi.org/10.1038/34542.
- Sosunov, V., Sosunova, E., Mustaev, A., Bass, I., Nikiforov, V., and Goldfarb, A. (2003) Unified two-metal mechanism of RNA synthesis and degradation by RNA polymerase, EMBO J., 22, 2234-2244, https://doi.org/10.1093/emboj/cdg193.
- James, K., Gamba, P., Cockell, S. J., and Zenkin, N. (2017) Misincorporation by RNA polymerase is a major source of transcription pausing in vivo, Nucleic Acids Res., 45, 1105-1113, https://doi.org/10.1093/nar/gkw969.
- Imashimizu, M., Oshima, T., Lubkowska, L., and Kashlev, M. (2013) Direct assessment of transcription fidelity by high-resolution RNA sequencing, Nucleic Acids Res., 41, 9090-9104, https://doi.org/10.1093/nar/gkt698.
- Mäkinen, J., Shin, Y., Vieras, E., Virta, P., Metsä-Ketelä, M., Murakami, K., and Belogurov, G. (2021) The mechanism of the nucleo-sugar selection by multi-subunit RNA polymerases, Nat. Commun., 12, https://doi.org/10.1038/s41467-021-21005-w.
- Nedialkov, Y. A., and Burton, Z. F. (2013) Translocation and fidelity of Escherichia coli RNA polymerase, Transcription, 4, 136-143, https://doi.org/10.4161/trns.25527.
- Nudler, E., Gusarov, I., and Bar-Nahum, G. (2003) Methods of Walking with the RNA Polymerase, in Methods in Enzymology, Academic Press, pp. 160-169.
- Agapov, A., Olina, A., and Kulbachinskiy, A. (2022) RNA polymerase pausing, stalling and bypass during transcription of damaged DNA: from molecular basis to functional consequences, Nucleic Acids Res., 50, 3018-3041, https://doi.org/10.1093/nar/gkac174.
- Gehring, A. M., and Santangelo, T. J. (2017) Archaeal RNA polymerase arrests transcription at DNA lesions, Transcription, 8, 288-296, https://doi.org/10.1080/21541264.2017.1324941.
- Pupov, D., Ignatov, A., Agapov, A., and Kulbachinskiy, A. (2019) Distinct effects of DNA lesions on RNA synthesis by Escherichia coli RNA polymerase, Biochem. Biophys. Res. Commun., 510, 122-127, https://doi.org/10.1016/ j.bbrc.2019.01.062.
- Guseva, E. A., Kamzeeva, P. N., Sokolskaya, S. Y., Slushko, G. K., Belyaev, E. S., Myasnikov, B. P., Golubeva, J. A., Alferova, V. A., Sergiev, P. V., and Aralov, A. V. (2024) Modified (2′-deoxy)adenosines activate autophagy primarily through AMPK/ULK1-dependent pathway, Bioorg. Med. Chem. Lett., 113, 129980, https://doi.org/10.1016/ j.bmcl.2024.129980.
- Svetlov, V., and Artsimovitch, I. (2015) Purification of bacterial RNA polymerase: tools and protocols, Methods Mol. Biol., 1276, 13-29, https://doi.org/10.1007/978-1-4939-2392-2_2.
- Kore, A. R., Shanmugasundaram, M., Senthilvelan, A., and Srinivasan, B. (2012) Gram-scale chemical synthesis of 2′-deoxynucleoside-5′-O-triphosphates, Curr. Protocols Nucleic Acid Chem., 49, 13.10.11-13.10.12, https:// doi.org/10.1002/0471142700.nc1310s49.
- Kamzeeva, P., Petushkov, I., Knizhnik, E., Snoeck, R., Khodarovich, Y., Ryabukhina, E., Alferova, V., Eshtukov-Shcheglov, A., Belyaev, E., Svetlova, J., Vedekhina, T., Kulbachinskiy, A., Varizhuk, A., Andrei, G., and Aralov, A. (2023) Phenotypic test of benzo[4,5]imidazo[1,2-c]pyrimidinone-based nucleoside and non-nucleoside derivatives against DNA and RNA viruses, including coronaviruses, Int. J. Mol. Sci., 24, 14540, https://doi.org/ 10.3390/ijms241914540.
- Miropolskaya, N., Kozlov, M., Petushkov, I., Prostova, M., Pupov, D., Esyunina, D., Kochetkov, S., and Kulbachinskiy, A. (2023) Effects of natural polymorphisms in SARS-CoV-2 RNA-dependent RNA polymerase on its activity and sensitivity to inhibitors in vitro, Biochimie, 206, 81-88, https://doi.org/10.1016/j.biochi. 2022.10.007.
- Matyugina, E., Petushkov, I., Surzhikov, S., Kezin, V., Maslova, A., Ivanova, O., Smirnova, O., Kirillov, I., Fedyakina, I., Kulbachinskiy, A., Kochetkov, S., and Khandazhinskaya, A. (2023) Nucleoside analogs that inhibit SARS-CoV-2 replication by blocking interaction of virus polymerase with RNA, Int. J. Mol. Sci., 24, 3361, https://doi.org/10.3390/ijms24043361.
- Zhilina, E., Miropolskaya, N., Bass, I., Brodolin, K., and Kulbachinskiy, A. (2011) Characteristics of sigma-dependent pausing in RNA polymerases from E. coli and T. aquaticus, Biochemistry (Moscow), 76, 1348-1358, https://doi.org/10.1134/S0006297911100038.
- Zhilina, E., Esyunina, D., Brodolin, K., and Kulbachinskiy, A. (2012) Structural transitions in the transcription elongation complexes of bacterial RNA polymerase during sigma-dependent pausing, Nucleic Acids Res., 40, 3078-3091, https://doi.org/10.1093/nar/gkr1158.
- Petushkov, I., Esyunina, D., and Kulbachinskiy, A. (2017) σ38-dependent promoter-proximal pausing by bacterial RNA polymerase, Nucleic Acids Res., 45, 3006-3016, https://doi.org/10.1093/nar/gkw1213.
- Leonard, G. A., Guy, A., Brown, T., Teoule, R., and Hunter, W. N. (1992) Conformation of guanine-8-oxoadenine base pairs in the crystal structure of d(CGCGAATT(O8A)GCG), Biochemistry, 31, 8415-8420, https://doi.org/10.1021/bi00151a004.
- Arnold, J. J., and Cameron, C. E. (2004) Poliovirus RNA-dependent RNA polymerase (3Dpol): pre-steady-state kinetic analysis of ribonucleotide incorporation in the presence of Mg2+, Biochemistry, 43, 5126-5137, https://doi.org/10.1021/bi035212y.
- Arnold, J. J., Gohara, D. W., and Cameron, C. E. (2004) Poliovirus RNA-dependent RNA polymerase (3Dpol): pre-steady-state kinetic analysis of ribonucleotide incorporation in the presence of Mg2+, Biochemistry, 43, 5138-5148, https://doi.org/10.1021/bi035213q.
- Huang, Y., Beaudry, A., McSwiggen, J., and Sousa, R. (1997) Determinants of ribose specificity in RNA polymerization: effects of Mn2+ and deoxynucleoside monophosphate incorporation into transcripts, Biochemistry, 36, 13718-13728, https://doi.org/10.1021/bi971609o.
- Ranjith-Kumar, C. T., Kim, Y. C., Gutshall, L., Silverman, C., Khandekar, S., Sarisky, R. T., and Kao, C. C. (2002) Mechanism of de novo initiation by the hepatitis C virus RNA-dependent RNA polymerase: role of divalent metals, J. Virol., 76, 12513-12525, https://doi.org/10.1128/jvi.76.24.12513-12525.2002.
- Te Velthuis, A. J. W., Arnold, J. J., Cameron, C. E., van den Worm, S. H. E., and Snijder, E. J. (2009) The RNA polymerase activity of SARS-coronavirus nsp12 is primer dependent, Nucleic Acids Res., 38, 203-214, https:// doi.org/10.1093/nar/gkp904.
- Gottesman, M. E., Chudaev, M., and Mustaev, A. (2020) Key features of magnesium that underpin its role as the major ion for electrophilic biocatalysis, FEBS J., 287, 5439-5463, https://doi.org/10.1111/febs.15318.
- Poranen, M. M., Salgado, P. S., Koivunen, M. R. L., Wright, S., Bamford, D. H., Stuart, D. I., and Grimes, J. M. (2008) Structural explanation for the role of Mn2+ in the activity of ϕ6 RNA-dependent RNA polymerase, Nucleic Acids Res., 36, 6633-6644, https://doi.org/10.1093/nar/gkn632.
- Vassylyev, D. G., Vassylyeva, M. N., Zhang, J., Palangat, M., Artsimovitch, I., and Landick, R. (2007) Structural basis for substrate loading in bacterial RNA polymerase, Nature, 448, 163-168, https://doi.org/10.1038/ nature05931.
Дополнительные файлы
