[论文解读] Calculating the contribution of different binding modes to Quinacrine - DNA complex formation from polarized fluorescence data

Igor Voloshin, Olga Ryazanova+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2013

DNA and Nucleic Acid Chemistry参考文献 1被引用 3

一句话总结

本研究利用偏振荧光光谱法，量化了在不同磷酸盐/染料（P/D）比和离子强度下，喹诺酮（QA）与鸡红细胞DNA之间嵌入式和静电结合模式的贡献。结果表明，尽管静电结合较弱，但在低P/D时由于结合位点尺寸更小（比嵌入式结合小8倍），其主导作用占优。本研究提出了一种方法，可从荧光滴定数据中解卷积出不同结合模式的贡献，并对复合物形成过程进行定量参数化。

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.

研究动机与目标

• 确定在不同离子强度和P/D比下，喹诺酮（QA）与DNA之间嵌入式和静电结合模式的相对贡献。
• 利用偏振荧光光谱解析两种不同QA-DNA结合模式之间的竞争关系。
• 开发一种定量方法，用于计算复合物形成过程中每种结合模式的占比。
• 测量并比较嵌入式和静电结合模式的结合位点尺寸。
• 将荧光强度和偏振度的变化与静电结合过程中非荧光染料聚集体的形成相关联。

提出的方法

• 采用偏振荧光光谱法，测量相对荧光强度和偏振度随P/D摩尔比和离子强度的变化。
• 在QA浓度从10⁻⁶ M至10⁻⁴ M、Na⁺浓度从10⁻³ M至0.15 M的范围内，记录吸光度和荧光滴定曲线。
• 应用数学模型，将荧光响应解卷积为来自高P/D时的嵌入式结合（主导）和低P/D时的静电结合（主导）的贡献。
• 该方法考虑了在静电结合过程中，染料在DNA骨架上形成非荧光聚集体，从而淬灭荧光。
• 通过将滴定数据拟合至假设独立、非协同结合且具有特定位点长度的模型，计算结合位点尺寸。
• 利用荧光偏振度和强度数据，量化每种结合模式对总复合物形成的贡献，作为P/D比的函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同P/D摩尔比下，嵌入式和静电结合模式对喹诺酮-DNA复合物形成的相对贡献是什么？
• RQ2 离子强度如何影响嵌入式和静电结合模式之间的竞争？
• RQ3 每种结合模式的结合位点尺寸是多少？其如何影响静电结合在亲和力较低的情况下仍具有竞争优势？
• RQ4 在静电结合过程中，DNA上非荧光染料聚集体的形成如何影响观测到的荧光强度？
• RQ5 偏振荧光数据是否可用于定量解卷积DNA-配体复合物中多种结合模式的贡献？

主要发现

• 相对荧光强度随P/D滴定曲线的最小值源于高P/D时以嵌入式结合为主、低P/D时以静电结合为主之间的竞争。
• 静电结合伴随在DNA骨架上形成非荧光染料聚集体，导致荧光淬灭，是滴定曲线中观测到最小值的原因。
• 静电结合的结合位点尺寸比嵌入式结合小8倍，解释了其在低P/D时尽管亲和力较弱但具有竞争优势的原因。
• 在低P/D比时，静电结合对总复合物形成的贡献超过嵌入式结合，尽管嵌入式结合具有更高的本征结合亲和力。
• 所提出的方法可实现对P/D比函数下每种结合模式在复合物中占比的定量计算，从而支持详细的热力学和动力学分析。
• 本研究证明，当结合适当的建模方法时，荧光偏振度和强度数据可用于解析DNA-配体体系中多种结合模式的存在。