Clickable nucleosides, most often 5-ethynyl-2'-deoxyuridine (EtU), are widely used in studies of DNA replication in living cells and in DNA functionalization for bionanotechology applications. Although clickable dNTPs are easily incorporated by DNA polymerases into the growing chain, afterwards they might become targets for DNA repair systems or interfere with faithful nucleotide insertion. Little is known about the possibility and mechanisms of these post-synthetic events. Here, we investigated the repair and (mis)coding properties of EtU and two bulkier clickable pyrimidine nucleosides, 5-(octa-1,7-diyn-1-yl)-U (C8-AlkU) and 5-(octa-1,7-diyn-1-yl)-C (C8-AlkC). In vitro, EtU and C8-AlkU, but not C8-AlkC, were excised by SMUG1 and MBD4, two DNA glycosylases from the base excision repair pathway. However, when placed into a plasmid encoding a fluorescent reporter inactivated by repair in human cells, EtU and C8-AlkU persisted for much longer than uracil or its poorly repairable phosphorothioate-flanked derivative. DNA polymerases from four different structural families preferentially bypassed EtU, C8-AlkU and C8-AlkC in an error-free manner, but a certain degree of misincorporation was also observed, especially evident for DNA polymerase β. Overall, clickable pyrimidine nucleotides could undergo repair and be a source of mutations, but the frequency of such events in the cell is unlikely to be considerable.

The DNA building blocks 2'-deoxynucleotides are enantiomeric, with their natural β-D-configuration dictated by the sugar moiety. Their synthetic β-L-enantiomers (βLdNs) can be used to obtain L-DNA, which, when fully substituted, is resistant to nucleases and is finding use in many biosensing and nanotechnology applications. However, much less is known about the enzymatic recognition and processing of individual βLdNs embedded in D-DNA. Here, we address the template properties of βLdNs for several DNA polymerases and the ability of base excision repair enzymes to remove these modifications from DNA. The Klenow fragment was fully blocked by βLdNs, whereas DNA polymerase κ bypassed them in an error-free manner. Phage RB69 DNA polymerase and DNA polymerase β treated βLdNs as non-instructive but the latter enzyme shifted towards error-free incorporation on a gapped DNA substrate. DNA glycosylases and AP endonucleases did not process βLdNs. DNA glycosylases sensitive to the base opposite their cognate lesions also did not recognize βLdNs as a correct pairing partner. Nevertheless, when placed in a reporter plasmid, pyrimidine βLdNs were resistant to repair in human cells, whereas purine βLdNs appear to be partly repaired. Overall, βLdNs are unique modifications that are mostly non-instructive but have dual non-instructive/instructive properties in special cases.

The review is devoted to analysis of recent advances, problems, and practical applications of enzymes in the framework of chemical enzymology and enzyme engineering. The achievements in the fundamental understanding of the molecular mechanisms of the catalytic cycle of enzymatic reactions are considered using quantum/molecular mechanics methods with supercomputer technologies and bioinformatics methods. The construction of protein biocatalysts with new properties is a fundamentally significant methodology of the bioengineering approach to solving practical problems, which is demonstrated by a number of examples. The increasing role of biocatalysis in medicine and biomedical research is illustrated by solving the problems of antibiotic synthesis and overcoming bacterial resistance to them, studying the mechanisms of neurodegenerative diseases and developing drugs to treat Alzheimer's disease, and investigation of biocatalytic processes of DNA repair and the role of mechanisms of functioning of heme peroxidases in the human body. The use of enzymes that destroy various endogenous and exogenous toxicants has been greatly developed in recent decades. The problems of using enzymes in therapy and drug delivery are analyzed. The fundamental role of enzymes in modern analysis and diagnosis is noted. The review considers a new trend in the development of bioanalytical methods using aptamers, multianalytical biochips, surface-enhanced Raman scattering systems, and bioelectroanalysis.<br> The bibliography includes 460 references.

The apurinic/apyrimidinic site (AP site) is a highly mutagenic and cytotoxic DNA lesion. Normally, AP sites are removed from DNA by base excision repair (BER). Methoxyamine (MOX), a BER inhibitor currently under clinical trials as a tumor sensitizer, forms adducts with AP sites (AP-MOX) resistant to the key BER enzyme, AP endonuclease. As AP-MOX remains unrepaired, translesion DNA synthesis is expected to be the main mechanism of cellular response to this lesion. However, the mutagenic potential of AP-MOX is still unclear. Here, we compare the blocking and mutagenic properties of AP-MOX and the natural AP site for major eukaryotic DNA polymerases involved in translesion synthesis: DNA polymerases η, ι, ζ, Rev1, and primase–polymerase PrimPol. The miscoding properties of both abasic lesions remained mostly the same for each studied enzyme. In contrast, the blocking properties of AP-MOX compared to the AP site were DNA polymerase specific. Pol η and PrimPol bypassed both lesions with the same efficiency. The bypass of AP-MOX by Pol ι was 15-fold lower than that of the AP site. On the contrary, Rev1 bypassed AP-MOX 5-fold better than the AP site. Together, our data suggest that Rev1 is best suited to support synthesis across AP-MOX in human cells.