ⓘ Энциклопедия | G-квадруплексы - Вики ..

ⓘ G-квадруплексы

G-квадруплексы - 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-нити представляют собой новый тип укладки ДНК, четырёхцепочечную спираль, где четыре гуаниновых основания из разных цепей образуют плоскую структуру, удерживаемую парными взаимодействиями G-G. Такие структуры отличаются высокой стабильностью в растворе и называются гуаниновыми -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.

1. 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.

1.1. Источники G-тетрадных мотивов 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: GGTTAGn, или TTAGGGn; при этом тип повтора является видозависимым: например, повтор TTAGGGn 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.

1.2. Источники G-тетрадных мотивов 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, нарушение которого часто бывает связано с лимфомой Бёркитта, протоонкогены RET, Bcl-2, c-Kit, фактор роста эндотелия сосудов и др.

1.3. Источники G-тетрадных мотивов 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. Квадруплекcы, расположенные в 5-нетранслируемой области, могут участвовать в регуляции экспрессии генов на уровне трансляции. Примерами таких матричных РНК человека являются мРНК рецептора эстрогена, внеклеточной металлопротеиназы, NRAS-протоонкогена и др.

1.4. Источники G-тетрадных мотивов 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.

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.