Кверцетин - флавоноид природного происхождения, обладающий антиоксидантной, иммуномодулирующей, противораковой, противовоспалительной, противовирусной и антибактериальной активностями. Кверцетин может быть использован для лечения сердечно-сосудистых заболеваний и ожирения [1]. Он может вызывать эпигенетические изменения, которые подавляют онкогены и реактивируют гены-супрессоры опухолей [2]. Известно, что кверцетин может связываться в бороздке, образовывать водородные связи, интеркалировать, а также взаимодействовать электростатически с ДНК [3-5]. Наша работа посвящена исследованию действия кверцетина на конформацию нуклеосом, так как данный аспект свойств кверцетина не изучен [6].

Исследование было проведено методом микроскопии одиночных частиц на основе эффекта FRET (Фёрстеровский резонансный перенос энергии) [7] с использованием мононуклеосом с двумя линкерными участками ДНК по 20 п.н. Каждая нуклеосома содержала пару флуоресцентных меток, расположенных в соседних супервитках нуклеосомной ДНК в положениях +13 и +91 п.н. от начала нуклеосом-позиционирующей последовательности. Чтобы оценить эффект, оказываемый кверцетином, мы измеряли коэффициент Е (аналог эффективности FRET) для одиночных свободно диффундирующих нуклеосом в отсутствии и присутствии кверцетина и анализировали полученные частотные распределения нуклеосом по величине Е. На основе этих данных нами были рассчитаны доли нуклеосом с Е < 0,3 (LE). К данной субпопуляции относятся нуклеосомы, у которых нарушена укладка ДНК на октамере гистонов.

Показано, что конформационные изменения в структуре нуклеосомы регистрируются при концентрации кверцетина 6 мкМ и выше. Они детектируются как концентрационно-зависимое увеличение доли LE-субпопуляции нуклеосом от 1-5% в отсутствии кверцетина до ~40% в присутствии 24 мкМ кверцетина. Эти структурные перестройки затрагивают 20 п.н. линкерной ДНК и не менее 13 п.н. ДНК в области кор-нуклеосомы и, по-видимому, сопровождаются отворачиванием ДНК от октамера гистонов.

В соответствии с данными литературы константа диссоциации комплекса кверцетина с ДНК равна 14 мкМ [3], поэтому обнаруженные структурные изменения, по всей видимости, вызваны непосредственным взаимодействием кверцетина с нуклеосомной ДНК.

Полученные нами данные могут свидетельствовать о том, что кверцетин увеличивает доступность нуклеосомной ДНК для различных белковых факторов, участвующих во внутриядерных процессах, и может регулировать эти процессы.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ 21-74-20018.

Литература

1) Massi A., Bortolini O., Ragno D., Bernardi T., Sacchetti G., Tacchini M., De Risi C. Research Progress in the Modification of Quercetin Leading to Anticancer Agents // Molecules. 2017. № 8. P. 1270.

2) Carlos-Reyes A., L´opez-Gonz´alez J. S., Meneses-Flores M., Gallardo-Rinc´on D., Ru´ız- ´ Garc´ıa E., Marchat L. A., Astudillo-de la Vega H., Hern´andez de la Cruz O. N. and L´opez-Camarillo C. Dietary Compounds as Epigenetic Modulating Agents in Cancer // Front Genet. 2019. Vol. 10. P.79.

3) Kanakis C. D., Tarantilis P. A., Polissiou M. G., Diamantoglou S., Tajmir-Riahi H. A. DNA interaction with naturally occurring antioxidant flavonoids quercetin, kaempferol, and delphinidin // J. Biomol. Struct. Dyn. 2005. № 6. P. 719-24.

4) Sha Y., Chen X., Niu B., Chen Q. The Interaction Mode of Groove Binding Between Quercetin and Calf Thymus DNA Based on Spectrometry and Simulation // Chem. Biodiversity. 2017. № 14. e1700133.

5) Srivastava S., Somasagara R. R., Hegde M., Nishana M., Tadi S. K., Srivastava M., Choudhary B., Raghavan S. C. Quercetin, a Natural Flavonoid Interacts with DNA, Arrests Cell Cycle and Causes Tumor Regression by Activating Mitochondrial Pathway of Apoptosis // Scientific Reports. 2016. № 6. P. 24049.

6) Andreeva T., Lyubitelev A., Bondarenko E., Studitsky V., Feofanov A. Quercetin Affects Nucleosome Structure // Microsc. Microanal. 2021. Vol. 27. № S1. P. 1740-1741.

7) Kudryashova KS, Chertkov OV, Nikitin DV, Pestov NA, Kulaeva OI, Efremenko AV, Solonin AS, Kirpichnikov MP, Studitsky VM, Feofanov AV. Preparation of mononucleosomal templates for analysis of transcription with RNA polymerase using spFRET // Methods Mol Biol. 2015. Vol. 1288. P.395-412.

Quercetin is a flavonoid of natural origin. It has antioxidant, immunomodulatory, anticancer, anti-inflammatory, antiviral and antibacterial activities. Quercetin can be used to treat cardiovascular diseases and obesity [1]. It can cause epigenetic changes that suppress oncogenes and reactivate tumor suppressor genes [2]. It is known that quercetin can bind in the groove, form hydrogen bonds, intercalate, and also interact electrostatically with DNA [3-5]. Our work is devoted to the study of the effect of quercetin on the conformation of nucleosomes, because this aspect of the properties of quercetin has not been studied [6].

The study was carried out by single particle fluorescence microscopy based on the FRET effect (Förster resonance energy transfer) [7] using mononucleosomes with two DNA linkers of 20 bp. Each nucleosome contained a pair of fluorescent labels located in the nucleosomal DNA at positions +13 and +91 bp from the beginning of the nucleosome-positioning sequence. To evaluate the effect of quercetin, we measured the coefficient E (analog of FRET efficiency) for single freely diffusing nucleosomes in the absence and presence of quercetin and analyzed the obtained frequency distributions of nucleosomes by the value of E. Based on these data, we calculated the fractions of nucleosomes with E < 0.3 (LE). This subpopulation includes nucleosomes where compaction of DNA on the histone core is damaged.

It is revealed that conformational changes in the structure of the nucleosome occur at a quercetin concentration of 6 µM or higher. They are detected as a concentration-dependent increase of LE-subpopulation of nucleosomes from 1-5% in the absence of quercetin to ~40% in the presence of 24 µM of quercetin. These structural alterations affect 20 bp of linker DNA and at least 13 bp of DNA in the nucleosomal core and, apparently, are accompanied by unwrapping of DNA from the histone octamer.

According to the literature data, the dissociation constant of the quercetin-DNA complex is equal to 14 µM [3], therefore, the detected structural changes are most likely caused by the direct interaction of quercetin with nucleosomal DNA.

The data obtained by us may indicate that quercetin increases the availability of nucleosomal DNA for various protein factors involved in intranuclear processes and can regulate these processes.

Financial support by Russian Science Foundation (grant 21-74-20018) is acknowledged.

Literature

1) Massi A., Bortolini O., Ragno D., Bernardi T., Sacchetti G., Tacchini M., De Risi C. Research Progress in the Modification of Quercetin Leading to Anticancer Agents // Molecules. 2017. № 8. P. 1270.

2) Carlos-Reyes A., L´opez-Gonz´alez J. S., Meneses-Flores M., Gallardo-Rinc´on D., Ru´ız- ´ Garc´ıa E., Marchat L. A., Astudillo-de la Vega H., Hern´andez de la Cruz O. N. and L´opez-Camarillo C. Dietary Compounds as Epigenetic Modulating Agents in Cancer // Front Genet. 2019. Vol. 10. P.79.

3) Kanakis C. D., Tarantilis P. A., Polissiou M. G., Diamantoglou S., Tajmir-Riahi H. A. DNA interaction with naturally occurring antioxidant flavonoids quercetin, kaempferol, and delphinidin // J. Biomol. Struct. Dyn. 2005. № 6. P. 719-24.

4) Sha Y., Chen X., Niu B., Chen Q. The Interaction Mode of Groove Binding Between Quercetin and Calf Thymus DNA Based on Spectrometry and Simulation // Chem. Biodiversity. 2017. № 14. e1700133.

5) Srivastava S., Somasagara R. R., Hegde M., Nishana M., Tadi S. K., Srivastava M., Choudhary B., Raghavan S. C. Quercetin, a Natural Flavonoid Interacts with DNA, Arrests Cell Cycle and Causes Tumor Regression by Activating Mitochondrial Pathway of Apoptosis // Scientific Reports. 2016. № 6. P. 24049.

6) Andreeva T., Lyubitelev A., Bondarenko E., Studitsky V., Feofanov A. Quercetin Affects Nucleosome Structure // Microsc. Microanal. 2021. Vol. 27. № S1. P. 1740-1741.

7) Kudryashova KS, Chertkov OV, Nikitin DV, Pestov NA, Kulaeva OI, Efremenko AV, Solonin AS, Kirpichnikov MP, Studitsky VM, Feofanov AV. Preparation of mononucleosomal templates for analysis of transcription with RNA polymerase using spFRET // Methods Mol Biol. 2015. Vol. 1288. P.395-412.