G-Quadruplex

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Struktur eines G-Quadruplexes. Links ein G-Tetrad, rechts ein intramolekulares G-Quadruplex

Nucleinsäuresequenzen, die besonders viel Guanin enthalten, sind in der Lage, viersträngige Strukturen auszubilden, welche G-Quadruplexe, G-Tetraden oder G4-DNA genannt werden. Diese bestehen aus einer quadratischen Anordnung von Guaninmolekülen, die von Wasserstoffbrückenbindungen durch Ausbildung von Hoogsteen-Basenpaaren stabilisiert werden. Zusätzlich werden sie durch ein monovalentes Kation, meist Kalium, im Zentrum des Tetrads stabilisiert. Sie können von DNA, RNA, LNA und PNA erzeugt werden und können dabei intramolekular, bimolekular und tetramolekular sein, das heißt aus einer, zwei oder drei Untereinheiten zusammengesetzt sein. Abhängig von der Richtung der Stränge oder Teilstränge, welche die Tetraden bilden, werden die Strukturen als parallel oder antiparallel beschrieben.

Quadruplexe in den Telomeren

3D Struktur eines intramolekularen G-Quadruplexes

Die sich wiederholenden DNA-Sequenzen der Telomere einer Vielzahl von Organismen bilden G-Quadruplex-Strukturen. Dies konnte vielfach in vitro ("im Reaganzglas"), in einigen Fällen auch in vivo (in lebenden Zellen) gezeigt werden. Telomere im Menschen und allen Vertebraten bestehen aus vielen Wiederholungen der DNA-Sequenz GGTTAG. Die von dieser Struktur gebildeten Quadruplexe wurden mittels NMR und Röntgenstrukturanalyse inzwischen gut erforscht. Die Anordnung dieser Quadruplexe in den Telomeren scheint die Aktivität des Enzymes Telomerase zu reduzieren, das verantwortlich für die Erhaltung der Länge der Telomere ist und in 85 % aller Krebsarten eine Rolle spielt. Dies ist ein wichtiger Ansatz für die Entwicklung von Medikamenten.

Nichttelomerische Quadruplexe

Ein Quadruplex regelt die Genaktivität

Ebenso stieg in letzter Zeit das Interesse an Quadruplexen, die nicht in Telomeren vorkommen. Verantwortlich dafür ist die Arbeit von Hurley mit dem protoonkogen c-Myc, welches anscheinend einen Quadruplex in einer Region ausbildet, die für Nuklease überempfindlich ist und die für die Genaktivität eine wichtige Rolle spielt. Danach fand man heraus, dass viele andere Gene G-Quadruplexe in Regionen der Promoter haben, dazu zählte auch das Beta-globin Gen der Hühner, die menschliche Ubiquitin-Ligase RFP2 und die Protoonkogene c-kit, bcl-2, VEGF, H-ras und N-ras. Diese Auflistung wird wohl bald erweitert werden, da noch zahlreiche Gene untersucht werden.

Gesamtuntersuchungen von Genomen auf die Ausbildung von G-Quadruplexen wurden durchgeführt, welche 376.000 Putative Quadruplex Sequenzen (PQS) im menschlichen Genom identifiziert haben, obwohl wahrscheinlich nicht alle davon in vivo so auftreten. Eine ähnliche Studie hat Putative G-Quadruplexes in Prokaryonten entdeckt. Es gibt mehrere denkbare Möglichkeiten, wie Quadruplexe die Genaktivität kontrollieren könnten, entweder durch Herabregulation oder Heraufregulation. Ein mögliches Modell wird nebenstehend anschaulich dargestellt, hierbei blockiert ein G-Quadruplex in oder nahe bei einem Promoter die Transkription des Genes, dadurch wird dieses also deaktiviert. In einem anderen Modell hilft ein Quadruplex am nicht kodierten DNA Strang eine offene Gestalt der kodierten DNA zu erhalten und verbessert so die Expression des jeweiligen Gens.

Quadruplex bindende Ligande

Eine Möglichkeit, eine G-Quadruplexverbindung herzustellen oder zu stabilisieren besteht darin, ein Molekül einzugfügen, das an die Quadruplexstruktur bindet. Eine Zahl von Liganden, alle kleinen Moleküle und Proteine, haben diese Eigenschaft an sich. Dies ist die Basis für weitere Forschung.

Man fand eine Anzahl natürlich vorkommender Proteine, die sich punktuell an G-Quadruplexe binden. Zu diesen zählen die RecQ-Helicasen, deren Defekte sich im Bloom-Syndrom oder Werner-Syndrom zeigen, wie das Bloom-Syndrom-Protein. Ein künstliches Zinkfingerprotein mit dem Namen Gq1 wurde auch entwickelt, das auf G-Quadruplexe passt, ebenso deren spezifische Antikörper.

Kationische Porphyrine binden ebenso an G-Quadruplexe, ebenso das Molekül Telomestatin.

Erkennung von Quadruplexen

Ein wichtiger Schritt für die Zukunft ist es, Sequenzen zu identifizieren und vorhersagen zu können, welche die Möglichkeit haben, Quadruplexe zu bilden. Es wurde eine Regel vorgeschlagen, um die Ausbildung vorherzusagen, welche besagt, dass basierend auf der Struktur d(G3+N1-7G3+N1-7G3+N1-7G3+), wobei N eine organische Base ist (auch Guanin), diese Struktur vermutlich G-Quadruplexe ausbildet. Diese Regel wurde schon umfangreich in selbstständigen Algorithmen genutzt.

Literatur

• Quadruplex Nucleic Acids (ISBN 0-85404-374-8) Neidle & Balasubramanian (Eds.) 2006

Weblinks

• Quadruplex.org - Quadruplexforschung
• Quadbase - Downloads zu Quadruplexen
• Greglist - Auflistung mit möglichen von Quadruplexen regulierten Gene
• GRSDB- Datenbank mit G-quadruplexen an RNA Erzeugung
• G-quadruplex Resource Site

Forschungsarbeiten (englisch)

• In vivo veritas: Using yeast to probe the biological functions of G-quadruplexes. Johnson JE, Smith JS, Kozak ML, Johnson FB. Biochimie. 2008 Feb 21
• Prevalence of quadruplexes in the human genome, Huppert and Balasubramanian, NAR 2005 33(9) 2908-2916
• Highly prevalent putative quadruplex sequence motifs in human DNA, Todd, Johnston, and Neidle, NAR 2005 33(9) 2901-2907
• Quadruplex DNA: sequence, topology and structure, Burge, Parkinson, Hazel, Todd and Neidle, NAR 2006 34(19) 5402-5415
• Direct evidence for a G-quadruplex in a promoter region and its targeting with a small molecule to repress c-MYC transcription, Siddiqui-Jain et al., PNAS 2002 99(18) 11593-8
• Genome-wide prediction of G4 DNA as regulatory motifs: Role in Escherichia coli global regulation, Rawal P, Kummarasetti VB, Ravindran J, Kumar N, Halder K, Sharma R, Mukerji M, Das SK, Chowdhury S., Genome Res. 2006 16(5) 644-55
• A Biomimetic Potassium Responsive Nanochannel: G-Quadruplex DNA Conformational Switching in a Synthetic Nanopore, 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, J. Am. Chem. Soc., 2009 131(22) 7800–7805