G-квадруплексы (англ. G-quadruplex, а также G-tetrads или G4) — последовательности нуклеиновых кислот, обогащенные гуанином и способные образовывать структуры из двух, трёх или четырех цепей. Цепи нуклеиновых кислот из гуанозиновых олиго- и поли-нуклеотидов способны связываться друг с другом при наличии моновалентного катиона, как калий. С помощью дифракционного анализа было показано, что такие поли(G)-нити представляют собой новый тип укладки ДНК, четырехцепочечную спираль, где четыре гуаниновых основания из разных цепей образуют плоскую структуру, удерживаемую G-G-парными взаимодействиями (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: межмолекулярный G-квадруплекс
Вычисление температуры плавления для G-квадруплекса 5'-GGGTTGGGTTTGGGTTGGG
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 иммуноглобулиновых генов, «горячих точках» рекомбинации и др. G-квартеты также представлены в ДНК на концах эукариотических хромосом, известных как теломеры. Теломерная ДНК представляет из себя тандемные повторы коротких поли-G-блоков, которые иногда включают в себя аденины или тимины: (GGTTAG)n, или (TTAGGG)n; теломерные ДНК ассоциированы с теломерными белками. 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 т.п.о. 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 четырехцепочечные шпильки, которые могут стабилизироваться формированием гуаниновых тетрад. Другой способ стабилизации такой ДНК — формирование внутримолекулярных G-квартетов путем многократного складывания. Такие G-квартет содержащие структуры называются квадруплексами или тетраплексами.
Предполагаемая модель регуляции генов при наличии G-квадруплекса
[1]
.
Литература
- 5'-UTR RNA G-quadruplexes: translation regulation and targeting». Nucleic Acids Res. 10.1093/nar/gks068. PMID 22351747.
- Решетников РВ, Копылов АМ, Головин АВ (2010). «Классификация G-квадруплексных ДНК по углу вращения квадруплекса и планарности G-квартетов». Acta Naturae 2 (4): 80-89.
- Guédin A, Gros J, Alberti P, Mergny J (2010). «How long is too long? Effects of loop size on G-quadruplex stability». Nucleic Acids Research 32 (21): 7858-7868. 10.1093/nar/gkq639.
- Johnson JE, Smith JS, Kozak ML, Johnson FB (2008). «In vivo veritas: using yeast to probe the biological functions of G-quadruplexes». Biochimie 90 (8): 1250–1263. 10.1016/j.biochi.2008.02.013. PMID 18331848.
- Huppert JL and Balasubramanian S (2005). «Prevalence of quadruplexes in the human genome». NAR 33 (9): 2908–2916. 10.1093/nar/gki609. PMID 15914667.
- Todd AK, Johnston M, Neidle S (2005). «Highly prevalent putative quadruplex sequence motifs in human DNA». NAR 33 (9): 2901–2907. 10.1093/nar/gki553. PMID 15914666.
- Burge S, Parkinson GN, Hazel P, Todd AK, Neidle S (2006). «Quadruplex DNA: sequence, topology and structure». NAR 34 (19): 5402–5415. 10.1093/nar/gkl655. PMID 17012276.
- Siddiqui-Jain A, Grand CL, Bearss DJ, Hurley LH (2002). «Direct evidence for a G-quadruplex in a promoter region and its targeting with a small molecule to repress c-MYC transcription». PNAS 99 (18): 11593–8. 10.1073/pnas.182256799. PMID 12195017.
- Rawal P, Kummarasetti VB, Ravindran J, Kumar N, Halder K, Sharma R, Mukerji M, Das SK, Chowdhury S (2006). «Genome-wide prediction of G4 DNA as regulatory motifs: Role in Escherichia coli global regulation». Genome Res. 16 (5): 644–55. 10.1101/gr.4508806. PMID 16651665.
- 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 (2009). «A biomimetic potassium responsive nanochannel: G-quadruplex DNA conformational switching in a synthetic nanopore». J. Am. Chem. Soc. 131 (22): 7800–7805. 10.1021/ja901574c. PMID 19435350.
- Quadruplex Nucleic Acids / Neidle & Balasubramanian. — 2006. — ISBN 0-85404-374-8
G-квадруплекса сайты
- COST MP0802 Quadruplex Network — the European network of G-quadruplex community: From first principles to applications
- Quadruplex.org — a website to serve the quadruplex community
- Quadbase — downloadable data on predicted G-quadruplexes
- Greglist — a database listing potential G-quadruplex regulated genes
- Database on Quadruplex information: QuadBase from IGIB
- GRSDB- a database of G-quadruplexes near RNA processing sites.
- GRS_UTRdb- a database of G-quadruplexes in the UTRs.
- G-quadruplex Resource Site
- non-B Motif Search Tool at non-B DB- a web server to predict G-quadruplex forming motifs and other non-B DNA forming motifs from users' DNA sequences.
Программы для детекции G-квадруплекс
- QGRS Mapper: a web-based application for predicting G-quadruplexes in nucleotide sequences and NCBI genes
