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.
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
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
Литература
Книги
- Lucy W. Barrett, Sue Fletcher, Steve D. Wilton. Untranslated Gene Regions and Other Non-coding Elements. — SpringerBriefs in Biochemistry and Molecular Biology, 2013. — 57 p. — ISBN 978-3-0348-0679-4.
Статьи
- Решетников РВ, Копылов АМ, Головин АВ. Классификация G-квадруплексных ДНК по углу вращения квадруплекса и планарности G-квартетов // Acta Naturae : журнал. — 2010. — Т. 2, № 4. — С. 80—89. (недоступная ссылка)
- Guédin A., Gros J., Alberti P., Mergny J. How long is too long? Effects of loop size on G-quadruplex stability (англ.) // Nucleic Acids Research[англ.] : journal. — 2010. — Vol. 32, no. 21. — P. 7858—7868. — doi:10.1093/nar/gkq639.
- Johnson J.E., Smith J.S., Kozak M.L., Johnson F.B. In vivo veritas: using yeast to probe the biological functions of G-quadruplexes (англ.) // Biochimie[англ.] : journal. — 2008. — Vol. 90, no. 8. — P. 1250—1263. — doi:10.1016/j.biochi.2008.02.013. — PMID 18331848. — PMC 2585026.
- Huppert JL and Balasubramanian S. Prevalence of quadruplexes in the human genome (неопр.) // NAR. — 2005. — Т. 33, № 9. — С. 2908—2916. — doi:10.1093/nar/gki609. — PMID 15914667. — PMC 1140081.
- Todd A.K., Johnston M., Neidle S. Highly prevalent putative quadruplex sequence motifs in human DNA (неопр.) // NAR. — 2005. — Т. 33, № 9. — С. 2901—2907. — doi:10.1093/nar/gki553. — PMID 15914666. — PMC 1140077.
- Burge S., Parkinson G.N., Hazel P., Todd A.K., Neidle S. Quadruplex DNA: sequence, topology and structure (неопр.) // NAR. — 2006. — Т. 34, № 19. — С. 5402—5415. — doi:10.1093/nar/gkl655. — PMID 17012276. — PMC 1636468.
- Siddiqui-Jain A., Grand C.L., Bearss D.J., Hurley L.H. Direct evidence for a G-quadruplex in a promoter region and its targeting with a small molecule to repress c-MYC transcription (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 2002. — Vol. 99, no. 18. — P. 11593—11598. — doi:10.1073/pnas.182256799. — PMID 12195017. — PMC 129314.
- Rawal P., Kummarasetti V.B., Ravindran J., Kumar N., Halder K., Sharma R., Mukerji M., Das S.K., Chowdhury S. Genome-wide prediction of G4 DNA as regulatory motifs: Role in Escherichia coli global regulation (англ.) // Genome Res.[англ.] : journal. — 2006. — Vol. 16, no. 5. — P. 644—655. — doi:10.1101/gr.4508806. — PMID 16651665. — PMC 1457047.
- Xu Hou, Wei Guo, Fan Xia, Fu-Qiang Nie, Hua Dong, Ye Tian, Liping Wen, Lin Wang, Liuxuan Cao, Yang Yang, Jianming Xue, Yanlin Song, Yugang Wang, Dongsheng Liu, and Lei Jiang. A biomimetic potassium responsive nanochannel: G-quadruplex DNA conformational switching in a synthetic nanopore (англ.) // J. Am. Chem. Soc.[англ.] : journal. — 2009. — Vol. 131, no. 22. — P. 7800—7805. — doi:10.1021/ja901574c. — PMID 19435350.
- Quadruplex Nucleic Acids (неопр.) / Neidle & Balasubramanian. — 2006. — ISBN 0-85404-374-8. Архивная копия от 30 сентября 2007 на Wayback Machine