トランスリジョン合成DNAポリメラーゼDpo4による7,8-ジヒドロ-8-オキソアデニンのプロミュータジェニックバイパス

Promutagenic bypass of 7,8-dihydro-8-oxoadenine by translesion synthesis DNA polymerase Dpo4.

• Hunmin Jung
• Seongmin Lee

抄録

電離放射線および代謝経路によって誘導される活性酸素は、2つの主要な酸化的損傷の形態として7,8-ジヒドロ-8-オキソグアニン(oxoG)および7,8-ジヒドロ-8-オキソアデニン(oxoA)を生成する。ＧからＴへのトランスバージョンを促進するオキソＧの突然変異誘発性は、ＤＮＡポリメラーゼの閉じ込められた場所でのｄＡＴＰとのＨｏｏｇｓｔｅｅｎ塩基対形成を可能にする病変のコンフォメーションの柔軟性に起因している。AからCへのトランスバージョンを優先的に引き起こすoxoAの突然変異誘発機構については、まだ十分な特徴がない。ヒトDNAポリメラーゼによるoxoAバイパスの構造は知られているが、原核生物のDNAポリメラーゼの構造は報告されていない。本研究では、オキソAの反対側のヌクレオチドを組み込んだSulfolobus solfataricus Dpo4の速度論的・構造的特徴を報告する。その結果、オキソAの反対側のヌクレオチドを組み込むことで、複製の忠実度が約560倍に低下することを明らかにした。また、この触媒効率は、dA:dGTP挿入の触媒効率よりも300倍以上高く、oxoAのプロモーター性を強調している。oxoA:dGTPの誤挿入の相対的な効率は、oxoG:dATPの誤挿入の相対的な効率よりも5倍以上高く、oxoAの突然変異原性はoxoGと同等であることを示唆している。Dpo4の複製塩基対部位では、アンチコンフォメーションのoxoAは入力dTTPとワトソン-クリック塩基対を形成し、シンコンフォメーションのoxoAは入力dGTPとHoogsteen塩基対を形成し、病変の二重コーディングの可能性を示している。Dpo4の活性部位内では、oxoA:dGTPの塩基対はワトソン-クリックのような形状をしており、Dpo4がoxoA:dGTPの塩基対のコンフォメーションに影響を与えていることを示している。全体的に、ここで報告された結果は、トランスレーション合成時の主要な酸化的アデニン病変のミスコード特性についての洞察を提供している。

Reactive oxygen species induced by ionizing radiation and metabolic pathways generate 7,8-dihydro-8-oxoguanine (oxoG) and 7,8-dihydro-8-oxoadenine (oxoA) as two major forms of oxidative damage. The mutagenicity of oxoG, which promotes G to T transversions, is attributed to the lesion's conformational flexibility that enables Hoogsteen base pairing with dATP in the confines of DNA polymerases. The mutagenesis mechanism of oxoA, which preferentially causes A to C transversions, remains poorly characterized. While structures for oxoA bypass by human DNA polymerases are available, that of prokaryotic DNA polymerases have not been reported. Herein, we report kinetic and structural characterizations of Sulfolobus solfataricus Dpo4 incorporating a nucleotide opposite oxoA. Our kinetic studies show oxoA at the templating position reduces the replication fidelity by ~560-fold. The catalytic efficiency of the oxoA:dGTP insertion is ~300-fold greater than that of the dA:dGTP insertion, highlighting the promutagenic nature of oxoA. The relative efficiency of the oxoA:dGTP misincorporation is ~5-fold greater than that of the oxoG:dATP misincorporation, suggesting the mutagenicity of oxoA is comparable to that of oxoG. In the Dpo4 replicating base pair site, oxoA in the anti-conformation forms a Watson-Crick base pair with an incoming dTTP, while oxoA in the syn-conformation assumes Hoogsteen base pairing with an incoming dGTP, displaying the dual coding potential of the lesion. Within the Dpo4 active site, the oxoA:dGTP base pair adopts a Watson-Crick-like geometry, indicating Dpo4 influences the oxoA:dGTP base pair conformation. Overall, the results reported here provide insights into the miscoding properties of the major oxidative adenine lesion during translesion synthesis.

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