Theoretical investigations of photo-induced self- and photolyase assisted repair of DNA using Quantum Mechanical/Molecular Mechanical methodes
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projekts wurde die durch die (6-4) Photolyase katalysierte Reparatur der (6-4) Pyrimidin-Pyrimidon Photoläsion erstmals mittels QM/MM Methoden theoretisch untersucht. Dabei wurden für diverse potentiell mögliche Reaktionspfade, die nach dem Elektronentransfer von FAD zur (6-4) Läsion zum reparierten Basenpaar führen könnten, die entsprechenden Energiebarrieren berechnet. Ausgangspunkt war die Kristallstruktur von Maul et al. Des weiteren wurde angenommen, dass His365, einer der beiden Histidinreste in der Bindungstasche, in protonierter Form vorliegt, was sowohl experimentell,3 als auch durch MD Simulationen, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden, unterstützt wird. Das protonierte His365 spielt in der Tat eine wichtige Rolle bei der Reparatur der (6-4) Läsion. Basierend auf den Ergebnissen unserer Rechnungen konnte ein neuer Reaktionsmechanismus vorgeschlagen werden. Dabei wird nach Absorption eines ersten Photons durch FAD und nachfolgendem Elektronentransfer von FAD zur (6-4) Läsion ein stabiles Oxetanintermediat gebildet. Die Absorption eines zweiten Photons durch FAD mit nachfolgendem Elektronentransfer zum Oxetan führt dann zur Offnung des Oxetans und Weiterreaktion zum reparierten Basenpaar. Diverse alternative Reaktionspfade wurden auch untersucht, schieden aber aufgrund von zu hohen Reaktionsbarrieren aus. Eine Verifizierung oder Falsifizierung des hier vorgeschlagenen Mechanismus durch das Experiment könnte durch den Nachweis des relativ langlebigen Oxetans nach Absorption eines Photons erbracht werden. Kritisch für unseren Mechanismus ist die Protonierung von His365, das an der Umgruppierung des Wasserstoffbrückennetzwerks in der Umgebung der Läsion massgeblich beteiligt ist. In einer weiteren Arbeit wurden die intermolekularen Wechselwirkungen zwischen dem Pyrimidinbasenpaar (sowohl als CPD Läsion, wie auch in reparierter Form) und den benachbarten Nukelobasen in der Doppelhelix der DNS ATTA Sequenz untersucht. Hierfür wurde die DFT-SAPT Methode verwendet, die sehr genaue Wechselwirkungsenergien (vergleichbar mit CCSD(T)) liefert. DFT-SAPT berechnet des weiteren die einzelnen Komponenten der Wechselwirkungsenergie und liefert so detaillierte Informationen zu den intermolekularen Bindungsverhältnissen. Die Rechnungen zeigen eine signifikante Schwächung der intermolekularen Wechselwirkungen in der ATTA Sequenz (ca. sechs kcal/mol), wenn das native (reparierte) TpT Pyrimidinbasenpaar durch CPD ersetzt wird. Diese Schwächung geht primär auf die Wasserstoffbrückenbindungen mit einem der in der Helix gegenüberliegenden Adeninbasen zurück, die bei der Bildung der Photoläsion substantiell geschwächt wird. Diese veränderten intermolekularen Bindungsverhältnisse sind möglicherweise relevant bei Detektion und Reparatur der CPD Läsion. Eine unserer Veröffentlichungen wurde als ”Inside Cover” der entsprechenden CPC Ausgabe ausgewählt.
Publications
- A Theoretical Study on the Repair Mechanism of the (6-4) Photolesion by the (6-4) Photolyase, J. Am. Chem. Soc., 132, 16285 (2010)
K. Sadeghian, M. Bocola, T. Merz and M. Schütz
- Intermolecular interactions in photodamaged DNA from density functional theory-symmetry-adapted perturbation theory, Chem-PhysChem, 12, 1251 (2011)
K. Sadeghian, M. Bocola, M. Schütz
