Экспериментальное изучение влияния SNP ТАТА-боксов генов GRIN1, ASCL3 и NOS1 на взаимодействие с ТАТА-связывающим белком

Гены GRIN1, ASCL3 и NOS1 связаны с различными фенотипами нервно-психических расстройств. Эти гены делают вклад в развитие шизофрении, болезней Альцгеймера и Паркинсона, эпилепсии и др. и ассоциируются также с различными онкологическими заболеваниями. Например, повышенная экспрессия ASCL3 наблюдается при раке молочной железы, NOS1 – в клеточных линиях рака яичников. Ранее на основе наших и литературных данных мы получили результаты, свидетельствующие в пользу того, что SNP, нарушающие эритропоэз, с большой вероятностью могут быть связаны с когнитивными и нервно-психическими расстройствами у человека. В настоящей работе исследовано влияние выявленных с помощью SNP_TATA_Z-tester не аннотированных SNP ТАТА-боксов промоторов генов GRIN1, ASCL3 и NOS1, участвующих в нервно-психических расстройствах и онкологических заболеваниях, на взаимодействие ТАТА-связывающего белка (ТВР). Для изучения in vitro кинетических характеристик образования комплексов ТВР/ТАТА и аффинности с помощью метода задержки ДНК в геле использованы двуцепочечные олигодезоксирибонуклеотиды, идентичные ТАТА-содержащим участкам промоторов генов GRIN1, ASCL3 и NOS1 (референсным и минорным аллелям), и рекомбинантный ТВР человека. Показано, например, что аллель «A» rs1402667001 промотора гена GRIN1 повышает аффинность ТВР/ТАТА в 1.4 раза, а аллель «С» ТАТА-бокса промотора гена ASCL3 снижает аффинность в 1.4 раза; при этом время жизни комплексов в обоих случаях уменьшается примерно на 20 % за счет изменения скоростей образования и диссоциации комплексов (k_a и k_d соответственно). Наши экспериментальные результаты согласуются с литературными данными, показывающими низкую экспрессию гена GRIN1 при шизофренических расстройствах и повышенный риск возникновения рака шейки матки, мочевого пузыря, почек и лимфомы при пониженной экспрессии гена АSCL3. Влияние аллеля «А» SNP –27G>A (rs1195040887) промотора гена NOS1 гипотетически может свидетельствовать о повышенном риске возникновения ишемического повреждения мозга у носителей. Сравнение экспериментальных значений аффинности (K_D) ТВР/ТАТА «диких» (WT) и минорных аллелей c прогнозируемыми показало, что данные хорошо коррелируют друг с другом: коэффициент линейной корреляции r = 0.94 ( p < 0.01).

1. Akyol O., Zoroglu S.S., Armutcu F., Sahin S., Gurel A. Nitric oxide as a physiopathological factor in neuropsychiatric disorders. In Vivo. 2004;18:377-390.

2. Arkova O.V., Ponomarenko M.P., Rasskazov D.A., Drachkova I.A., Arshinova T.V., Ponomarenko P.M., Savinkova L.K., Kolchanov N.A. Obesity-related known and candidate SNP markers can significantly change affinity of TATA-binding protein for human gene promoters. BMC Genom. 2015;16(Suppl.13):S5. DOI 10.1186/1471-2164-16-S13-S5.

3. Begni S., Moraschi S., Bignotti S., Fumagalli F., Rillosi L., Perez J., Gennarelli M. Association between the G1001C polymorphism in the GRIN1 gene promoter region and schizophrenia. Biol. Psychiatry. 2003;53(7):617-619. DOI 10.1016/s0006-3223(02)01783-3.

4. Chadaeva I.V., Ponomarenko M.P., Rasskazov D.A., Sharypova E.B., Kashina E.V., Matveeva M.Y., Arshinova T.V., Ponomarenko P.M., Arkova O.V., Bondar N.P., Savinkova L.K., Kolchanov N.A. Candidate SNP markers of aggressiveness-related complications and comorbidities of genetic diseases are predicted by a significant change in the affinity of TATA-binding protein for human gene promoters. BMC Genom. 2016;17(Suppl.14):995. DOI 10.1186/s12864-016-3353-3.

5. Chadaeva I.V., Ponomarenko P.M., Rasskazov D.A., Sharypova E.B., Kashina E.V., Zhechev D.A., Drachkova I.A., Arkova O.V., Savinkova L.K., Ponomarenko M.P., Kolchanov N.A., Osadchuk L.V., Osadchuk A.V. Candidate SNP markers of reproductive potential are predicted by a significant change in the affinity of TATA-binding protein for human gene promoters. BMC Genom. 2018;19(Suppl.3):0. DOI 10.1186/s12864-018-4478-3.

6. Chaudhary S., Kaushik M., Kukreti R., Kukreti S. Structural switch from a multistranded G-quadruplex to single strands as a consequence of point mutation in the promoter of the human GRIN1 gene. Mol. Biosyst. 2017;13(9):1805-1816. DOI 10.1039/c7mb00360a.

7. Ding J., Zhou H.-H., Ma Q.-R., He Z.-Y., Ma J.-B., Liu Y.-M., Zhang Y.-W., He Y.-Q., Liu J. Expression of NR1 and apoptosis levels in the hippocampal cells of mice treated with MK-801. Mol. Med. Rep. 2017;16(6):8359-8364. DOI 10.3892/mmr.2017.7674.

8. Drachkova I., Savinkova L., Arshinova T., Ponomarenko M., Peltek S., Kolchanov N. The mechanism by which TATA-box polymorphisms associated with human hereditary diseases influence interactions with the TATA-binding protein. Hum. Mutat. 2014;35(5):601-608. DOI 10.1002/humu.22535.

9. Forero D.A. Functional genomics of epileptogenesis in animal models and humans. Cell Mol. Neurobiol. Publ. online 28 July 2020. Publ. 2021;41:1579-1587. DOI 10.1007/s10571-020-00927-x.

10. Fox P.C. Acquired salivary dysfunction. Drugs and radiation. Ann. N.Y. Acad. Sci. 1998;842:132-137. DOI 10.1111/j.1749-632.1998.tb09641.x.

11. Freudenberg F., Alttoa A., Reif A. Neuronal nitric oxide synthase (NOS1) and its adaptor, NOS1AP, as a genetic risk factors for psychiatric disorders. Genes Brain Behav. 2015;14(1):46-63. DOI 10.1111/gbb.12193.

12. Gray A.L., Hyde T.M., Deep-Soboslay A., Kleinman J.E., Sodhi M.S. Sex differences in glutamate receptor gene expression in major depression and suicide. Mol. Psychiatry. 2015;20(9):1057-1068. DOI 10.1038/mp.2015.91.

13. Hanahan D., Weinberg R.A. Hallmarks of cancer: the next generation. Cell. 2011;144:646-674. DOI 10.1016/j.cell.2011.02.013.

14. Hancock D.B., Martin E.R., Vance J.M., Scott W.K. Nitric oxide synthase genes and their interactions with environmental factors in Parkinson’s disease. Neurogenetics. 2008;9(4):249-262. DOI 10.1007/s10048-008-0137-1.

15. Liu Y.-P., Ding M., Zhang X.-C., Liu Y., Xuan J.-F., Xing J.-K., Xia X., Yao J., Wang B.-J. Association between polymorphisms in the GRIN1 gene 5′ regulatory region and schizophrenia in a northern Han Chinese population and haplotype effect on protein expression in vitro. BMC Med. Genet. 2019;20(1):26. DOI 10.1186/s12881-019-0757-3.

16. Mishizen-Eberz A.J., Rissman R.A., Carter T.L., Ikonomovic M.D., Wolfe B.B., Armstrong D.M. Biochemical and molecular studies of NMDA receptor subunits NR1/2A/2B in hippocampal subregions throughout progression of Alzheimer’s disease pathology. Neurobiol. Dis. 2004;15(1):80-92. DOI 10.1016/j.nbd.2003.09.016.

17. Mogno I., Vallania F., Mitra R.D., Cohen B.A. TATA is a modular component of synthetic promoters. Genome Res. 2010;20(10):1391-1397. DOI 10.1101/gr.106732.110.

18. Park Y.-J., Koh J., Kwon J.T., Park Y.-S., Yang L., Cha S. Uncovering stem cell differentiation factors for salivary gland regeneration by quantitative analysis of differential proteomes. PLoS One. 2017; 12(2):e0169677. DOI 10.1371/journal.pone.0169677.

19. Ponomarenko M.P., Arkova O., Rasskazov D., Ponomarenko P., Savinkova L., Kolchanov N. Candidate SNP markers of gender-biased autoimmune complications of monogenic diseases are predicted by a significant change in the affinity of TATA-binding protein for human gene promoters. Front Immunol. 2016;7:130. DOI 10.3389/fimmu.2016.00130.

20. Ponomarenko M., Rasskazov D., Arkova O., Ponomarenko P., Suslov V., Savinkova L., Kolchanov N. How to use SNP_TATA_Comparator to find a significant change in gene expression caused by the regulatory SNP of this gene’s promoter via a change in affinity of the TATA-binding protein for this promoter. Biomed. Res. Int. 2015; 2015:359835. DOI 10.1155/2015/359835.

21. Ponomarenko M., Sharypova E., Drachkova I., Chadaeva I., Arkova O., Podkolodnaya O., Ponomarenko P., Kolchanov N., Savinkova L. Unannotated single nucleotide polymorphisms in the TATA box of erythropoiesis genes show in vitro positive involvements in cognitive and mental disorders. BMC Med. Genet. 2020;21(Suppl.1):165. DOI 10.1186/s12881-020-01106-x.

22. Ponomarenko P., Chadaeva I., Rasskazov D.A., Sharypova E., Kashina E.V., Drachkova I., Zhechev D., Ponomarenko M.P., Savinkova L.K., Kolchanov N. Candidate SNP markers of familial and sporadic Alzheimer’s diseases are predicted by a significant change in the affinity of TATA-binding protein for human gene promoters. Front. Aging Neurosci. 2017;20(9):231. DOI 10.3389/fnagi.2017.00231.

23. Ponomarenko P., Rasskazov D., Suslov V., Sharypova E., Savinkova L., Podkolodnaya O., Podkolodny N.L., Tverdokhleb N.N., Chadaeva I., Ponomarenko M., Kolchanov N. Candidate SNP markers of chronopathologies are predicted by a significant change in the affinity of TATA-binding protein for human gene promoters. Biomed. Res. Int. 2016;2016:8642703. DOI 10.1155/2016/8642703.

24. Praz V., Périer R.C., Bonnard C., Bucher P. The Eukaryotic Promoter Database, EPD: new entry types and links to gene expression data. Nucleic Acids Res. 2002;30:322-324. DOI 10.1093/nar/30.1.322.

25. Pugh B.F. Purification of the human TATA-binding protein, TBP. In: Tymms M.J. (Ed.) In Vitro Transcription and Translation Protocols. (Ser. Methods in Molecular Biology, Vol. 37). Totowa, NJ: Humana Press Inc., 1995.

26. Rugel-Stahl A., Elliott M.E., Ovitt C.E. Ascl3 marks adult progenitor cells of the mouse salivary gland. Stem Cell Res. 2012;8(3):379-387. DOI 10.1016/j.scr.2012.01.002.

27. Saadat M. N-methyl-D-aspartate receptor NR1 subunit gene (GRIN1) G1001C polymorphism and susceptibility to schizophrenia: a meta-analysis. EXCLI J. 2010;9:11-6.

28. Sharypova E.B., Drachkova I.A., Kashina E.V., Rasskazov D.A., Ponomarenko P.M., Ponomarenko M.P., Kolchanov N.А., Savinkova L.K. An experimental study of the effect of rare polymorphisms of human HBB, HBD and F9 promoter TATA boxes on the kinetics of interaction with the TATA-binding protein. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2018;22(1):145-152. DOI 10.18699/VJ18.342. (in Russian)

29. Sherry S., Ward M., Kholodov M., Baker J., Phan L., Smigielski E., Sirotkin K. dbSNP: the NCBI database of genetic variation. Nucleic Acids Res. 2001;29:308-311. DOI 10.1093/nar/29.1.308.

30. Shinkai T., Ohmori O., Hori H., Nakamura J. Allelic association of the neuronal nitric oxide synthase (NOS1) gene with schizophrenia. Mol. Psychiatry. 2002;7(6):560-563. DOI 10.1038/sj.mp.4001041.

31. Sin W.C., Haas K., Ruthazer E.S., Cline H.T. Dendrite growth increased by visual activity requires NMDA receptor and Rho GTPases. Nature. 2002;419(6906):475-480. DOI 10.1038/nature00987.

32. Turnaev I.I., Rasskazov D.A, Arkova O.V., Ponomarenko M.P., Ponomarenko P.M., Savinkova L.K., Kolchanov N.A. Hypothetical SNP markers that significantly affect the affinity of the TATA-binding protein to VEGFA, ERBB2, IGF1R, FLT1, KDR, and MET oncogene promoters as chemotherapy targets. Molecular Biology. 2016;50(1):141-152. DOI 10.1134/S0026893316010209.

33. Yu T., Xia L., Bi D., Wang Y., Shang Q., Zhu D., Song J., Wang J., Wang X., Zhu C., Xing Q. Association of NOS1 gene polymorphisms with cerebral palsy in a Han Chinese population: a casecontrol study. BMC Med. Genomics. 2018;11(1):56. DOI 10.1186/s12920-018-0374-6.

34. Zhao X., Li H., Shi Y., Tang R., Chen W., Liu J., Feng G., Shi J., Yan L., Liu H., He L. Significant association between the genetic variations in the 5′ end of the N-methyl-D-aspartate receptor subunit gene GRIN1 and schizophrenia. Biol. Psychiatry. 2006;59:747-753. DOI 10.1016/j.biopsych.2005.10.023.

35. Zou Z., Li X., Sun Y., Li L., Zhang Q., Zhu L., Zhong Z., Wang M., Wang Q., Liu Z., Wang Y., Ping Y., Yao K., Hao B., Liu Q. NOS1 expression promotes proliferation and invasion and enhances chemoresistance in ovarian cancer. Oncol. Lett. 2020;19(4):2989-2995. DOI 10.3892/ol.2020.11355.

36. Zwicker A., Denovan-Wright E.M., Uher R. Gene-environment interplay in the etiology of psychosis. Psychol. Med. 2018;48(12):1925-1936. DOI 10.1017/S003329171700383X.