Фотоферменты фотолиазы, связываясь с поврежденными участками ДНК, осуществляют репарацию основных фотопродуктов ДНК, образующихся под действием УФ излучения. В основе функционирования фотолиаз лежит реакция фотоиндуцированного межмолекулярного переноса электрона. Наиболее интересной с точки зрения химического механизма является (6-4) фотолиаза, осуществляющая репарацию наиболее цитотоксичных (6-4) пиримидин-пиримидон фотопродуктов ДНК. Несмотря на активное изучение механизма функционирования (6-4) фотолиазы с использованием наиболее современных экспериментальных методов и молекулярного моделирования, химический механизм реакции репарации окончательно не был установлен. Многомасштабное моделирование, сочетающее классическую молекулярную динамику и квантово-химические расчеты фотовозбужденных состояний и координаты реакции, способно разрешить некоторые из противоречий, существующих в понимании механизма действия (6-4) фотолиазы.

В рамках многомасштабного моделирования были рассмотрены основные стадии реакции репарации (6-4) фотопропродукта ферментом (6-4) фотолиазой, включающие фотоиндуцированный перенос электрона, ведущий к образованию радикала фотопродукта, разрыв и образование ковалентных связей в радикале фотопродукта и обратный перенос электрона. С использованием расчетов методом теории функционала плотности были получены оптимизированные геометрии для моделирования стадий реакции репарации с участием различных форм критически важного аминокислотного остатка His365, роль которого в реакции репарации обсуждается в литературе. В случае участия нейтрального His365, наиболее вероятной представляется перегруппировка радикала фотопродукта за счет переноса OH-группы. Для протекания такой реакции необходимо снижение энергетического барьера реакции. В присутствии протонированного His365, происходит сопряженный перенос протона и электрона, что приводит к образованию протонированного (нейтрального) радикала фотопродукта. Для протекания реакции репарации по данному пути необходима подстройка таких свойств фотопродукта, как сродство к электрону. Оценки влияния макромолекулярного окружения на электронные энергии были проведены в рамках расчетов энергий возбужденных состояний структур, определяющих координату реакции репарации, которые проводились с использованием многоконфигурационного квантово-химического метода XMCQDPT2-CASSCF. В рамках данных расчетов была также проведена оценка матричных элементов неадиабатической связи. С использованием молекулярно-динамических расчетов была проведена оценка влияния динамики макромолекулярного окружения на энергии переноса электрона. Для оценки влияния электронных и электростатических взаимодействий на скорость реакции переноса электрона были скомбинированы результаты квантово-химических и молекулярно-динамических расчетов. Применение такого подхода позволяет связать быструю рекомбинацию радикальной пары в результате обратного переноса электрона с присутствием нейтральной формы His365. Присутствие же протонированного His365, выступающего донором протона для радикала фотопродукта, должно замедлять реакцию обратного переноса электрона. Таким образом, можно сделать вывод, что скорость и квантовый выход реакции репарации (6-4) фотопродукта фотоферментом должны критически зависеть от состояния протонирования His365 в активном центре белка.



Работа выполнена при поддержки РНФ 22-23-00418.

Photolyase photoenzymes, binding to damaged DNA sites, repair the main DNA photoproducts formed under the action of UV radiation. The functioning of photolyases is based on the reaction of photoinduced intermolecular electron transfer. Especially interesting from the point of view of the chemical mechanism is (6-4) photolyase, which repairs the most cytotoxic (6-4) pyrimidine-pyrimidone photoproducts of DNA. Despite the extensive study of the (6-4) photolyase mechanism using the high-end experimental and computational methods, the chemical details of the repair reaction have not been definitively established. Multiscale modeling, combining classical molecular dynamics and quantum chemical calculations of photoexcited states and reaction coordinate, is able to resolve some of the contradictions existing today in understanding the (6-4) photolyase mechanism.

The present study considers the main stages of the (6-4) photoprodroduct repair by (6-4) photolyase including photoinduced electron transfer leading to the formation of a photoprodroduct radical, breaking and formation of covalent bonds in the photoprodroduct radical and back electron transfer. Using density functional theory calculations, optimized geometries were obtained for modeling the repair reaction involving various forms of the critically important amino acid residue His365, whose role in the repair has been extensively discussed in the literature. In the case of neutral His365, the photoproduct radical rearranges by the OH-group transfer, for which the enzyme reduces the reaction energy barrier. In the presence of protonated His365, electron transfer coupled to proton transfer takes place leading to the formation of a protonated (neutral) photoproduct radical. In order for the repair reaction to proceed along this path, it is necessary to adjust electron affinity of the photoproduct. Estimates of the effect of the macromolecular environment on electronic energies were carried by computing excited electronic states for structures comprising the repair rection coordinate using the multiconfiguration quantum chemical method XMCQDPT2-CASSCF. Within the framework of these calculations, the electronic coupling matrix elements were also evaluated. The influence of the macromolecular environment on electron transfer energies was evaluated using classical molecular dynamics. To assess the electron transfer reaction rate, the results of the quantum chemical and molecular dynamics calculations were combined. The estimated electron-transfer rates indicated that the rapid recombination of the radical pair takes place in the presence of neutral His365. The presence of protonated His365, acting as a proton donor for the photoproduct radical, may substantially slow down back electron transfer. Thus, the overall rate and quantum yield of the (6-4) photoproduct repair by the photolyase should critically depend on the protonation state of His365.

The work was carried out with the support of the RNF 22-23-00418.