Не только радиоактивные изотопы урана способны нанести серьезный вред живым клеткам. Как и многие другие тяжелые металлы, в избыточном количестве уран может изменять структуру белков и ДНК. В частности, было показано, что ион уранила – наиболее стабильная форма урана в условиях, близких к физиологическим, – оказывает негативное воздействие на металлсодержащие белки – цитохромы, трансферрины, ДНК-связывающие домены и др. На уровне организма хроническое отравление проявляется в нарушениях в работе почек, нервной системы, кроветворения.

Цинковые пальцы – одни из основных ДНК-связывающих доменов эукариотических белков. Ион цинка в них необходим для поддержания правильной пространственной структуры интерфейса, взаимодействующего с ДНК. Недавние исследования показали (на примере цинкового пальца белка PARP-1, участвующего в исправлении повреждений ДНК), что функциональность последних нарушается в результате взаимодействия с ацетатом уранила, изменяющим третичную структуру домена. Целью настоящей работы стало исследование возможного молекулярного механизма токсического воздействия урана, а также сопутствующих конформационных изменений в структуре цинкового пальца белка PARP-1.

Для моделирования химических превращений, включающих ион уранила, боковые цепи аминокислот в потенциальных сайтах связывания и каталитические молекулы воды, мы использовали подходы КМ/ММ динамики в сочетании со смещающими потенциалами (метод зонтичной выборки). Получаемые стабильные комплексы мы параметризовали в терминах классического силового поля для расчета длинных молекулярно-динамических траекторий. Последние необходимы для сэмплинга возможных конформационных состояний системы, а также для оценки динамических и энергетических параметров (конформационной энтропии, энтропии растворителя, энтальпии) последних.

По результатам моделирования было показано, что состояние, при котором уран расположен в нативном сайте связывания, разрушается вследствие спонтанного внутреннего гидролиза связи U – Cys162. Энтальпия гидролиза оказывается равной 3,1 ккал/моль, но за счет разрыхления структуры итоговое значение свободной энергии реакции становится 1,5 ккал/моль. Следующая далее реорганизация сайта связывания включает ассоциацию уранил-иона с кластером (Glu190, Asp191) и значительное изменение третичной структуры домена. Свободная энергия финальной стадии оказалась равной -13 ккал/моль, что делает весь процесс энергетически выгодным. Дезорганизация ДНК-связывающего интерфейса, по-видимому, приводит к потере афинности к ДНК.

Not only radioactive isotopes of uranium appeared to be harmful for living cells. Similar to other heavy metals, in high concentrations uranium is able to change or even destroy the tertiary structure of proteins and DNA. It was shown that uranyl-ion (the most stable uranium form in physiological conditions) targets metal-containing proteins - cytochromes, transferrins, DNA-binding domains, etc. At the level of the organism, chronic poisoning results in malfunction of kidneys, nervous system, hematopoiesis.

Zinc fingers are one of the most common DNA-binding domains in eukaryotic cells. The zinc ion is needed in them for DNA-binding interface spatial structure stabilization. Recently, it was shown that zinc fingers functionality is impaired upon their incubation with uranyl acetate, which turned out to change the domain's tertiary structure. The aim of this work was to study the possible molecular mechanism of the uranyl toxic effect, as well as accompanying conformational changes in structure of PARP-1 protein zinc finger.

To model chemical transformations involving uranyl ion, amino acid side chains in potential binding sites and catalytic water molecules we used QM/MM dynamics approach in combination with bias potentials (Umbrella sampling). We parametrized resulting stable complexes in terms of the classical force fields to calculate long molecular dynamics trajectories. The latter was necessary for conformational sampling and estimation of system's dynamical and energetical parameters (conformational entropy, solvent entropy, enthalpy).

According to our simulations results, the state in which uranium is located in the native binding site is destroyed due to spontaneous internal hydrolysis of the U–Cys162 bond. The enthalpy of hydrolysis is 3.1 kcal/mol, but due to structure loosening, the final value of the free energy of the reaction becomes 1.5 kcal/mol. The subsequent reorganization of binding site includes association of uranyl ion with (Glu190, Asp191) cluster and significant changes in the tertiary structure of domain. The final stage free enegry turned out to be -13 kcal/mol, which makes the whole process energetically favorable. Disorganization of the DNA-binding interface seemingly appears to result in DNA affinity loss.