Complexation des acides aminés basiques arginine, histidine et lysine avec l’ADN plasmidique en solution aqueuse : participation à la capture de radicaux sous irradiation X à 1,5 keV

Université de Bourgogne Franche-Comté UMR CNRS 6249, Laboratoire Chrono-environnement, F-25030 BESANCON CEDEX, France

^a michel.fromm@univ-fcomte.fr

21 Septembre 2016

Résumé

L’environnement chimique de l’ADN en situation biologique est complexe notam-ment en raison de la présence d’histones, protéines nucléaires, associées en quantité approximativement égales à l’ADN pour former la chromatine. Les histones possèdent de nombreux radicaux basiques arginine et lysine chargés positivement et dont la majorité se trouve sur les chaînes émergentes, l’ADN présente quant à lui des charges négatives sur ses groupements phosphates localisés tout au long de la double hélice. Dans cette étude, la complexité de la structure de la chromatine nucléaire est dans un premier temps mimée en solution aqueuse par la formation de complexes entre un ADN plasmidique sonde et les trois acides aminés basiques, Arg, His, Lys, qui, mis à part His, sont protonés au pH physiologique. Ces acides aminés libres en solution sont réputés être des capteurs efficaces de radicaux libres, notamment pour le radical hydroxyle, conférant ainsi un pouvoir protecteur vis-à-vis des effets indirects sur l’ADN en situation d’exposition aux rayonnements ionisants. A concentration fixée, les capacités de capture des acides aminés libres, σ, pour le radical hydroxyle sont typiquement les suivantes σ_His ≈σ_Arg > σ_Lys (σ_Lys ≈ 0,1 × σ_Arg). Nous avons mesuré les taux de cassures simple brin par plasmide et par Gray (χ) lors d’expositions de solutions aqueuses de complexes [acide aminé – ADN plasmidique] aux rayons X ultra-mous (1,5 keV). A concentrations égales, les trois acides aminés complexés et présents en large excès ne manifestent pas une capacité de protection de l’ADN proportionnelle à leur capacité de capture libre et en solution ; on trouve en effet des taux de cassures dans l’ordre suivant χ_His > χ_Arg > χ_Lys (χ_Lys ≈ 0,01 χ_Arg). Après avoir détaillé le mode opératoire de ces mesures, nous analyserons sur des bases bibliographiques, les modes spécifiques d’interaction des acides aminés basiques avec l’ADN. La spécificité des liaisons de l’arginine avec l’ADN et plus particulièrement sa propension à être un ligand bidentate qui se lie aux bases (principalement G) de l’ADN nous permet d’expliquer les taux de cassures simple brin particulièrement élevés observés avec Arg. Un mécanisme de transfert de radical intermoléculaire est suggéré pour Arg. Un raisonnement globalement similaire peut être tenu pour la lysine. Pour l’histidine, nous suggérons quelques voies possibles qui conduiraient à expliquer les taux de cassure anormalement élevés observés, mais cela demandera des expériences complémentaires.

Abstract

The chemical environment of DNA in real biological situation is complex notably due to the presence of histones, i.e. nuclear proteins which are linked approximately in equal mass balance to the DNA macromolecule to form chromatin. Histones have numerous terminal tails made up of basic (positively charged) amino acids arginine and lysine while DNA is a macro-anion which holds one negative charge per phosphate moiety all along the double-helix. As a first attempt, in this study, the complexity of the nuclear chromatin structure is mimicked through the formation of complexes made up of the basic amino acids Arg, His, Lys (which apart from His are protonated at physiological pH) and a DNA plasmid used as a probe. Those three amino acids, when free in aqueous solution are known to be effective radical scavengers, notably for the hydroxyl radical, they might therefore protect DNA against indirect effects when exposed to ionizing radiations. At fixed concentration, the scavenging capacities of free amino acids, σ, for the hydroxyl radical are typically such that σ_His ≈σ_Arg > σ_Lys (σ_Lys ≈ 0,1 × σ_Arg). We have measured the yields of single strand breaks per plasmid and per Gray (χ) during exposure of aqueous solutions of complexes [amino acid –plasmid DNA] to ultra-soft X-rays (1,5 keV). At equal concentrations, the three complexed amino acids which also are present in large excess in the solutions do not exhibit DNA protection capabilities that are in line with their scavenging capacities; we find indeed single strand break yields that follow the order χ_His > χ_Arg > χ_Lys (χ _Lys ≈ 0,01 × χ_Arg). After having detailed our experimental protocol, we analyze the specific features of basic amino acids interactions with DNA, based on a bibliographic survey. The specificity of Arg interaction with DNA, especially its propensity to create bidentate contacts with bases (principally with the G base) makes it possible to propose a way by which high DNA single strand break damage is favored in the presence of Arg. An inter-molecular radical transfer is suggested which also seems to hold for the Lysine amino acid. As for the unexpected high single strand break yields observed with His, we suggest some possible pathways but complementary experiments still will have to be performed.