[논문 리뷰] Calculating the contribution of different binding modes to Quinacrine - DNA complex formation from polarized fluorescence data

Igor Voloshin, Olga Ryazanova외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 25.

DNA and Nucleic Acid Chemistry참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 다양한 인산염-염료(P/D) 비율과 이온 강도에서 닭 적혈구 DNA에 대한 퀴나크린(QA)의 삽입 및 전기적 친화도 결합 방식의 기여도를 정량화하기 위해 투과성 형광 분광법을 사용한다. 전기적 친화도 결합은 더 약한 친화도를 지니지만, 더 작은 결합 부위 크기(삽입 결합보다 8배 작음) 덕분에 저 P/D 비율에서 지배적임을 밝혀내며, 복잡한 형성 과정의 정량적 매개변수화를 가능하게 하는 방법을 제시한다. 이는 형광 타이트레이션 데이터로부터 결합 방식의 기여도를 분리해내는 데 사용된다.

ABSTRACT

Binding of acridine derivative quinacrine (QA) to chicken erythrocyte DNA was studied by methods of absorption and polarized fluorescent spectroscopy. Measurements were carried out in aqueous buffered solutions (pH 6.9) of different dye concentrations (QA concentration range from $10^{-6}$ till $10^{-4}$ M) and ionic strengths ($Na^{+}$ concentration rang from $10^{-3}$ till 0.15 M) in a wide range of phosphate-to-dye molar ratios ($P/D$). It is established that the minimum of fluorescent titration curve plotted as relative fluorescence intensity $vs$ $P/D$ is conditioned by the competition between the two types of QA binding to DNA which posses by different emission parameters: (i) intercalative one dominating under high $P/D$ values, and (ii) outside electrostatic binding dominating under low $P/D$ values, which is accompanied by the formation of non-fluorescent dye associates on the DNA backbone. Absorption and fluorescent characteristics of complexes formed were determined. The method of calculation of different binding modes contribution to the complex formation depending on $P/D$ value is presented. It was shown that the size of binding site measured as the number of DNA base pairs per one QA molecule bound in the case of the electrostatic interaction is 8 times less than that for the intercalative one that determines the competitive ability of the outside binding against the stronger intercalative binding mode.

연구 동기 및 목표

• 다양한 이온 강도와 P/D 비율에서 퀴나크린(QA)이 DNA에 결합하는 방식 중 삽입 및 전기적 친화도 결합의 상대 기여도를 규명하기 위해.
• 투과성 형광 분광법을 사용하여 두 가지 상이한 QA-DNA 결합 방식 간의 경쟁을 해소하기 위해.
• 복합체 형성 과정에서 각 결합 방식의 기여도를 정량적으로 계산할 수 있는 방법을 개발하기 위해.
• 삽입 및 전기적 친화도 결합 방식의 결합 부위 크기를 측정하고 비교하기 위해.
• 전기적 친화도 결합 중 비형광 염료 집합체 형성이 발생함에 따라 형광 강도와 편광도의 변화를 연관시키기 위해.

제안 방법

• P/D 몰비와 이온 강도의 함수로 상대 형광 강도와 이소트로피를 측정하기 위해 투과성 형광 분광법을 사용하였다.
• QA 농도 10⁻⁶ M에서 10⁻⁴ M, Na⁺ 농도 10⁻³ M에서 0.15 M 범위에서 흡수 및 형광 타이트레이션 곡선을 기록하였다.
• 수학적 모델을 적용하여 형광 반응을 고 P/D에서의 삽입 결합 기여도와 저 P/D에서의 전기적 친화도 결합 기여도로 분리하였다.
• 이 방법은 전기적 친화도 결합 중 DNA에 비형광 염료 집합체가 형성되어 형광이 억제됨을 고려한다.
• 독립적이고 비상호작용적인 결합을 가정하고 정의된 부위 길이를 가진 모델에 타이트레이션 데이터를 피팅하여 결합 부위 크기를 계산하였다.
• 형광 이소트로피 및 강도 데이터를 사용하여 각 결합 방식이 총 복합체 형성에 기여하는 비율을 P/D 비율의 함수로 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다른 P/D 몰비에서 퀴나크린-DNA 복합체 형성에 삽입 및 전기적 친화도 결합 방식의 상대 기여도는 어떻게 되는가?
• RQ2 이온 강도는 삽입 및 전기적 친화도 결합 방식 간의 경쟁에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 각 결합 방식의 결합 부위 크기는 얼마이며, 이는 더 낮은 친화도임에도 불구하고 전기적 친화도 결합이 경쟁 우위를 점하는 이유는 무엇인가?
• RQ4 DNA에 비형광 염료 집합체가 형성될 경우 전기적 친화도 결합 중 관측되는 형광 강도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 투과성 형광 데이터는 적절한 모델링과 결합하여 다수의 결합 방식이 DNA-리간드 복합체 형성에 기여하는 정도를 정량적으로 분리해낼 수 있는가?

주요 결과

• P/D 타이트레이션 곡선에서 상대 형광 강도의 최소값은 고 P/D에서 지배적인 삽입 결합과 저 P/D에서 지배적인 전기적 친화도 결합 간의 경쟁에서 기인한다.
• 전기적 친화도 결합은 DNA 배경에 비형광 염료 집합체를 형성하며, 이는 형광을 억제하고 타이트레이션 곡선에서 관측되는 최소값을 초래한다.
• 전기적 친화도 결합의 결합 부위 크기는 삽입 결합보다 8배 작으며, 이는 더 낮은 친화도임에도 불구하고 저 P/D 비율에서의 경쟁 우위를 설명한다.
• 낮은 P/D 비율에서 전기적 친화도 결합이 총 복합체 형성에 기여하는 비율이 삽입 결합보다 높으며, 이는 삽입 결합이 더 높은 본질적 친화도를 지니고 있음에도 불구하고 그렇다.
• 제시된 방법은 P/D 비율의 함수로 각 결합 방식의 기여 비율을 정량적으로 계산할 수 있으며, 이는 체계적인 열역학적 및 동역학적 분석을 가능하게 한다.
• 이 연구는 형광 이소트로피 및 강도 데이터가 적절한 모델링과 결합될 경우 DNA-리간드 시스템에서 다수의 결합 방식을 해소하는 데 사용될 수 있음을 입증한다.