G-квадруплексы

G-квадру́плексы (англ. G-quadruplex, а также G-tetrads или G4) — последовательности нуклеиновых кислот, обогащенные гуанином и способные образовывать структуры из четырёх цепей. Цепи нуклеиновых кислот из гуанозиновых олиго- и полинуклеотидов способны связываться друг с другом при наличии моновалентного катиона небольшого размера, чаще всего — калия. С помощью дифракционного анализа было показано, что такие поли(G)-нити представляют собой новый тип укладки ДНК, четырёхцепочечную спираль, где четыре гуаниновых основания из разных цепей образуют плоскую структуру, удерживаемую парными взаимодействиями G-G (рис. 1). Такие структуры отличаются высокой стабильностью в растворе и называются гуаниновыми (G)-квартетами, или G-тетрадами. Каждый G-квартет скреплен в сумме восемью водородными связями, образованными взаимодействием Уотсон-Криковской стороны одного гуанинового основания с Хугстиновской стороной другого. G-квадруплексы могут быть также образованы короткими олигонуклеотидами с соответствующей последовательностью, которую можно схематически записать как GmXnGmXoGmXpGm, где m — количество гуанинов в G-блоке. Эти гуанины обычно непосредственно задействованы в образовании G-тетрад. Xn, Xo и Xp могут быть комбинацией любых остатков, включая G; такие участки формируют петли между G-тетрадами.

Рис 1. Структура G-квадруплекса. Слева: G-квартет. Справа: G-квадруплекс из трёх квартетов

Источники G-тетрадных мотивов

Нуклеиновые кислоты, содержащие G-тетрадный мотив, чрезвычайно широко представлены во всех открытых на данный момент геномах. Такие мотивы были обнаружены в промоторных регионах, интронах и сайтах переключения в составе последовательности генов иммуноглобулинов, «горячих точках» рекомбинации и др. При анализе генома человека было выявлено более 350 000 последовательностей, теоретически способных принимать конформацию квадруплексов. По-видимому, квадруплексы находятся в динамическом равновесии с другими формами ДНК, например, обычным дуплексом[1].

Теломерные квадруплексы

G-квартеты также представлены в ДНК на концах эукариотических хромосом, известных как теломеры. Теломерная ДНК представляет собой тандемные повторы коротких поли-G-блоков, которые иногда включают в себя адениловые или тимидиловые нуклеотиды: (GGTTAG)n, или (TTAGGG)n; при этом тип повтора является видозависимым: например, повтор (TTAGGG)n характерен для млекопитающих.

Функция теломер заключается в защите хромосомных концов от нежелательных повреждений в результате рекомбинации или воздействия нуклеаз. Человеческая теломерная ДНК в соматических клетках в среднем составляет 8-10 тысяч пар оснований. Терминальные же 100—200 нуклеотидов с 3'-конца представляют собой однотяжевой «хвост», конформационно ничем не ограниченный. В живых клетках этот «хвост» ассоциирован с белком POt1, в отсутствие же этого белка однотяжевая теломерная ДНК способна складываться и димеризоваться, формируя четырёхцепочечные шпильки, которые могут стабилизироваться формированием гуаниновых тетрад. Другой способ стабилизации такой ДНК — формирование внутримолекулярных G-квартетов путём многократного складывания.

Квадруплексы в промоторных регионах

Ряд участков ДНК в промоторных регионах генов человека способен принимать конформацию квадруплексов, тем самым обеспечивая регуляцию экспрессии генов. К белкам, гены которых могут регулироваться подобным образом, относятся, например, фактор транскрипции с-MYC[2], нарушение которого часто бывает связано с лимфомой Беркитта[3], протоонкогены RET[4], Bcl-2[5], c-Kit[6], фактор роста эндотелия сосудов[7] и др.

Квадруплексы в 5'-нетранслируемой области мРНК
Предполагаемая модель регуляции генов при наличии G-квадруплекса[8]

Биоинформатический анализ генома человека выявил, что около 3 000 мРНК содержат в своей 5'-нетранслируемой области один или несколько квадруплексов[9]. Квадруплекcы, расположенные в 5'-нетранслируемой области, могут участвовать в регуляции экспрессии генов на уровне трансляции[10]. Примерами таких матричных РНК человека являются мРНК рецептора эстрогена[11], внеклеточной металлопротеиназы[12], NRAS-протоонкогена[9] и др.

Синтетические квадруплексы

Нуклеиновые кислоты, как и белки, способны к избирательному связыванию различных молекул. Такие способные к специфическому связыванию олигонуклеотиды называют аптамерами. Относительно большой процент аптамеров содержит в своей структуре квадруплекс, который выполняет функцию стабилизации всей молекулы[13][14].

На сегодняшний день существует достаточно быстрый и эффективный способ получения ДНК- и РНК-аптамеров, способных связываться с практически любой более-менее крупной молекулой — SELEX. При помощи SELEX за последние 2 десятилетия было создано множество аптамеров, которые можно использовать для детекции различных веществ, а также в качестве основы для разработки лекарственных препаратов[15].

Примечания
  1. Huppert J. L., Balasubramanian S. Prevalence of quadruplexes in the human genome. (англ.) // Nucleic acids research. — 2005. — Vol. 33, no. 9. — P. 2908—2916. — doi:10.1093/nar/gki609. — PMID 15914667.
  2. Yang D., Hurley L. H. Structure of the biologically relevant G-quadruplex in the c-MYC promoter. (англ.) // Nucleosides, nucleotides & nucleic acids. — 2006. — Vol. 25, no. 8. — P. 951—968. — doi:10.1080/15257770600809913. — PMID 16901825.
  3. Spender L. C., Inman G. J. Developments in Burkitt's lymphoma: novel cooperations in oncogenic MYC signaling. (англ.) // Cancer management and research. — 2014. — Vol. 6. — P. 27—38. — doi:10.2147/CMAR.S37745. — PMID 24426788.
  4. Guo K., Pourpak A., Beetz-Rogers K., Gokhale V., Sun D., Hurley L. H. Formation of pseudosymmetrical G-quadruplex and i-motif structures in the proximal promoter region of the RET oncogene. (англ.) // Journal of the American Chemical Society. — 2007. — Vol. 129, no. 33. — P. 10220—10228. — doi:10.1021/ja072185g. — PMID 17672459.
  5. Agrawal P., Lin C., Mathad R. I., Carver M., Yang D. The major G-quadruplex formed in the human BCL-2 proximal promoter adopts a parallel structure with a 13-nt loop in K+ solution. (англ.) // Journal of the American Chemical Society. — 2014. — Vol. 136, no. 5. — P. 1750—1753. — doi:10.1021/ja4118945. — PMID 24450880.
  6. Hsu S. T., Varnai P., Bugaut A., Reszka A. P., Neidle S., Balasubramanian S. A G-rich sequence within the c-kit oncogene promoter forms a parallel G-quadruplex having asymmetric G-tetrad dynamics. (англ.) // Journal of the American Chemical Society. — 2009. — Vol. 131, no. 37. — P. 13399—13409. — doi:10.1021/ja904007p. — PMID 19705869.
  7. Sun D., Liu W. J., Guo K., Rusche J. J., Ebbinghaus S., Gokhale V., Hurley L. H. The proximal promoter region of the human vascular endothelial growth factor gene has a G-quadruplex structure that can be targeted by G-quadruplex-interactive agents. (англ.) // Molecular cancer therapeutics. — 2008. — Vol. 7, no. 4. — P. 880—889. — doi:10.1158/1535-7163.MCT-07-2119. — PMID 18413801.
  8. Bugaut A., Balasubramanian S. 5'-UTR RNA G-quadruplexes: translation regulation and targeting (англ.) // Nucleic Acids Res : journal. — 2012. — doi:10.1093/nar/gks068. — PMID 22351747.
  9. Kumari S., Bugaut A., Huppert J. L., Balasubramanian S. An RNA G-quadruplex in the 5' UTR of the NRAS proto-oncogene modulates translation. (англ.) // Nature chemical biology. — 2007. — Vol. 3, no. 4. — P. 218—221. — doi:10.1038/nchembio864. — PMID 17322877.
  10. Bugaut A., Balasubramanian S. 5'-UTR RNA G-quadruplexes: translation regulation and targeting. (англ.) // Nucleic acids research. — 2012. — Vol. 40, no. 11. — P. 4727—4741. — doi:10.1093/nar/gks068. — PMID 22351747.
  11. Balkwill G. D., Derecka K., Garner T. P., Hodgman C., Flint A. P., Searle M. S. Repression of translation of human estrogen receptor alpha by G-quadruplex formation. (англ.) // Biochemistry. — 2009. — Vol. 48, no. 48. — P. 11487—11495. — doi:10.1021/bi901420k. — PMID 19860473.
  12. Morris M. J., Basu S. An unusually stable G-quadruplex within the 5'-UTR of the MT3 matrix metalloproteinase mRNA represses translation in eukaryotic cells. (англ.) // Biochemistry. — 2009. — Vol. 48, no. 23. — P. 5313—5319. — doi:10.1021/bi900498z. — PMID 19397366.
  13. Tucker W. O., Shum K. T., Tanner J. A. G-quadruplex DNA aptamers and their ligands: structure, function and application. (англ.) // Current pharmaceutical design. — 2012. — Vol. 18, no. 14. — P. 2014—2026. — PMID 22376117.
  14. Gatto B., Palumbo M., Sissi C. Nucleic acid aptamers based on the G-quadruplex structure: therapeutic and diagnostic potential. (англ.) // Current medicinal chemistry. — 2009. — Vol. 16, no. 10. — P. 1248—1265. — PMID 19355883.
  15. Ni X., Castanares M., Mukherjee A., Lupold S. E. Nucleic acid aptamers: clinical applications and promising new horizons. (англ.) // Current medicinal chemistry. — 2011. — Vol. 18, no. 27. — P. 4206—4214. — PMID 21838685.

Литература

Книги

Статьи
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.