Structures of a DNA Polymerase Caught while Incorporating Responsive Dual‐Functional Nucleotide Probes

核苷酸 聚合酶 DNA聚合酶 生物化学 核酸 底漆(化妆品) 三元络合物 生物 聚合酶 尿嘧啶 化学 DNA 立体化学 生物物理学 水热 基因 有机化学
作者
Pulak Ghosh,Karin Betz,Cédric Gutfreund,Arindam Pal,Andreas Marx,Seergazhi G. Srivatsan
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (2): e202414319-e202414319 被引量:5
标识
DOI:10.1002/anie.202414319
摘要

Abstract Functionalizing nucleic acids using DNA polymerases is essential in biophysical and biotechnology applications. This study focuses on understanding how DNA polymerases recognize and incorporate nucleotides with diverse chemical modifications, aiming to develop advanced nucleotide probes. We present the crystal structures of ternary complexes of Thermus aquaticus DNA polymerase (KlenTaq) with C5‐heterocycle‐modified environment‐sensitive 2′‐deoxyuridine‐5′‐triphosphate (dUTP) probes. These nucleotides include SedUTP, BFdUTP and FBFdUTP, which bear selenophene, benzofuran and fluorobenzofuran, respectively, at the C5 position of uracil, and exhibit high conformational sensitivity. SedUTP and FBFdUTP serve as dual‐app probes, combining a fluorophore with X‐ray anomalous scattering Se or 19 F NMR labels. Our study reveals that the size of the heterocycle influences how DNA polymerase families A and B incorporate these modified nucleotides during single nucleotide incorporation and primer extension reactions. Remarkably, the responsiveness of FBFdUTP enabled real‐time monitoring of the binary complex formation and polymerase activity through fluorescence and 19 F NMR spectroscopy. Comparative analysis of incorporation profiles, fluorescence, 19 F NMR data, and crystal structures of ternary complexes highlights the plasticity of the enzyme. Key insight is provided into the role of gatekeeper amino acids (Arg660 and Arg587) in accommodating and processing these modified substrates, offering a structural basis for next‐generation nucleotide probe development.
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