Sciencemag.cz
Doporučujeme
Pod pojmem DNA si asi většina lidí v první řadě představí dvoušroubovici, nejznámější strukturu, kterou DNA zaujímá. Kromě dvoušroubovice však existují i jiné alternativní struktury DNA, které hrají důležitou roli v biologii buňky. Jednou z takových struktur jsou guaninové kvadruplexy, zkráceně G-kvadruplexy, které se vytvářejí v oblastech DNA bohatých na guanin. Ty představují jedno z výzkumných témat, na něž se zaměřuje skupina Edwarda Curtise v ÚOCHB.
Na rozdíl od dvoušroubovice DNA, kde se v jedné rovině párují dva nukleotidy ze dvou navzájem se obtáčejících vláken, u G-kvadruplexů se do jednoho celku spojují hned čtyři nukleotidy, které, jak název napovídá, obsahují téměř výhradně guaninovou bázi. Mezi smyčkami jednoho či dvou vláken, někdy do konce mezi čtyřmi vlákny DNA, vzniká čtvercová struktura zvaná guaninová tetráda. G-kvadruplexy pak vznikají navrstvením několika guaninových tetrád na sebe a připomínají krychli či kvádr.
G-kvadruplexy byly nejprve objeveny v telomerách, což jsou koncové části chromozomů. Později byla nalezena vysoká koncentrace G-kvadruplexů také v promotorových sekvencích DNA. Jedná se o úseky, na které nasedá RNA polymeráza při zahájení transkripce. Pokud RNA polymeráza na vysoce stabilní G-kvadruplex v těchto oblastech narazí, není schopna ho přepsat do RNA, z vlákna DNA odpadne a k transkripci příslušného genu nedojde. G-kvadruplexové struktury tak mohou mít vliv na genovou expresi.
Struktura referenčního G-kvadruplexu. (C, E) Pohled na G-kvadruplex ze stran. Adenin je zobrazen červeně, guaniny zeleně a tyminy modře. (D, F) Pohled na G-kvadruplex shora a zdola.
Vědci ze skupiny Edwarda Curtise se ve spolupráci s Václavem Veverkou ze skupiny Strukturní biologie rozhodli lépe porozumět tomu, jak pořadí jednotlivých nukleotidů v sekvencích vytvářejících G-kvadruplexy ovlivňuje jejich biochemickou funkci. Detailní pochopení tohoto chování je důležité proto, že eukaryotický genom obsahuje stovky tisíc různých sekvencí pro G-kvadruplexy, o nichž se toho přitom ví jen velmi málo.
Vědci zkoumali 496 různých variant vzniklých mutací původního G-kvadruplexu a testovali, do jaké míry ovlivňují tyto mutace některé konkrétní biochemické funkce. Pro začátek se vědci zaměřili na funkce, které jsou poměrně snadno sledovatelné, např. schopnost vázat volnou molekulu GTP, schopnost katalyzovat modelovou peroxidázovou reakci za použití heminového kofaktoru či schopnost vyzařovat fluorescenci. Protože G-kvadruplexy mohou být složené i z více vláken DNA, studovali rovněž vliv mutací na jejich schopnost vznikat z jednoho, dvou či čtyř vláken.
Identifikace mutací ovlivňujících biochemickou specificitu G-kvadruplexu.
Analýzy odhalily, že větší vliv na biochemické funkce mají mutace v centrální tetrádě, menší pak mutace ve smyčkách, které tetrády spojují do jednoho celku. Mutace v centrální tetrádě také častěji ovlivňují přechody mezi různými multimerními stavy kvadruplexů, tj. to, zda se tvoří z jednoho, dvou či čtyř vláken. A to, na kolika vláknech kvadruplex vznikl, zase ovlivňuje některé jeho biochemické vlastnosti. Například struktury ze čtyř vláken vážou volný GTP lépe než kvadruplexy dvouvláknové; ty dvouvláknové ale zase lépe katalyzují peroxidázovou reakci.
Vědcům se také podařilo rozluštit 3D strukturu jedné z nejaktivnějších sekvencí, kterou knihovna obsahovala, a to ve vysokém rozlišení pomocí NMR analýzy. Detailní objasnění této struktury pomohlo lépe porozumět biochemickým vlastnostem jednovláknových kvadruplexů.
Výsledky této rozsáhlé studie, která vyšla v časopise Nucleic Acid Research s Martinem Volkem jako prvním autorem, ukazují, že u G-kvadruplexů s rozdílnou sekvencí se sice mohou některé biochemické funkce navzájem překrývat, ale již na základě sekvence lze předpokládat, kterou funkci daná mutace spíše posiluje. Přehled různých biochemických funkcí přiřazených k odlišným sekvencím G-kvadruplexů tak poskytuje nový model, který umožní rychlejší orientaci v obrovském množství úseků genomu s možnou tvorbou G-kvadruplexů a povede k lepšímu pochopení biologické regulace v organismech či k cílenému návrhu léčiv.
Původní článek
Volek, M.; Kolesnikova, S.; Svehlova, K.; Srb, P.; Sgallová, R.; Streckerová, T.; Redondo, J. A.; Veverka, V.; Curtis, E. A., Overlapping but distinct: a new model for G-quadruplex biochemical specificity. Nucleic Acids Research 2021. https://doi.org/10.1093/nar/gkab037
