bélyegkép|400px|Egy G-kvadruplex szerkezete. Baloldalt G-tetrád, jobboldalt intramolekuláris G4-komplex A G-kvadruplex másodlagos szerkezetek (G4) guaninban gazdag szekvenciák által jönnek létre. Ezek helikálisak és 1, 2 vagy 4 szálas guanintetrádokból állnak. Az egymolekulás változatok gyakoriak a kromoszómák végén lévő telomereken és számos gén transzkripciószabályzó részein mikrobákban és gerincesekben, beleértve humán onkogéneket. 4 guanin Hoogsteen-hidrogénkötéssel négyzetes szerkezetű guanintetrádot alkothat, és 2 vagy több guanintetrád (folyamatos G-sorozatokból) egymáson G-kvadruplexet alkot.
A G-kvadruplexek elhelyezkedése és kötései nem véletlenszerűek, és különös funkcióik vannak. A kvadruplexet egy tetrádpárok közt középre kerülő kation, különösen a kálium jelenléte stabilizálja. Alkothatja DNS, RNS, ZNS vagy PNS, és lehet molekulán belüli, két- vagy négymolekulás. A szálak vagy azok részeinek irányától függően a szerkezetek lehetnek párhuzamosak vagy antipárhuzamosak. A G-kvadruplexek DNS- vagy RNS-szekvenciamotívumokból előrejelezhetők, de valódi szerkezetük változhat motívumon belül és motívumok közt, amelyekből genomonként több mint is lehet. Alapvető genetikai folyamatokban való részvételük miatt kutatják a telomerek, a génszabályzás és a funkciós genomika területén. Története A nagy guaninasszociációs szerkezeteket 1962-ben azonosították guaninasszociált gélszerű anyagokon keresztül. E kutatás határozta meg a 4 szálú DNS-szerkezetek magas guaninasszociációval való összefüggését, melyeket 1987-ben eukarióta telomerekben fedeztek fel. A G-kvadruplex felfedezésének fontosságát a következő idézet mutatta meg:
A G-kvadruplexek in vivo funkciójának kutatása a nagyméretű genomszintű analízis hatására megnőtt, melyben a potenciális G-kvadruplex-alkotó (pG4) szekvenciák nagy gyakoriságát mutatták ki humán, csimpánz- egér- és patkánypromoterekben, melyeket a 2007. áprilisi első nemzetközi G-kvadruplex-találkozón mutattak be a kentuckyi Louisville-ben. 2006-ban néhány bakteriális promoterben is kimutattak G-kvadruplexeket, G-kvadruplex-mediált génszabályzást feltételezve. A G-kvadruplexek in vivo gyakorisága révén e szerkezetek biológiailag fontosak az onkogének promotereire és a telomerekre való hatásuk révén. Jelenleg a kutatás a G-kvadruplexek funkcióinak azonosítására bizonyos onkogéneknél, valamint a G-kvadruplexeken alapuló hatékony kezelések felfedezésére irányul. A G-kvadruplexek korai bizonyítéka sejtekből való izolációjuk volt, később annak megfigyelésével is igazolták, hogy egyes DNS-helikázok ilyen szerkezetekhez közel vannak nagy mennyiségben.
bélyegkép|Káliumtartalmú oldatban lévő intramolekulás humán telomer-G-kvadruplex szerkezete. A vázt cső jelzi. Középen 3 G-tetrád-réteg. A hidrogénkötéseket kék szaggatott vonalak jelzik. Topológia A tetrádképzésben részt vevő nukleinsavak gatározzák meg a kvadruplex szerkezetét. A rövid, egyetlen 3 vagy több guainból álló sorozatból álló szekvenciák 4 önálló szálat igényelnek a kvadruplexhez, vagyis az ilyen kvadruplex tetramolekulás. A G4 DNS eredetileg az ilyen szerkezetekre utalt, melyek a meiózisban lehetnek fontosak. Azonban a molekuláris biológia modern szóhasználatában a G4 bármilyen molekularitású kvadruplexet jelenthet. A hosszabb, két folytonos 3 vagy több guaninból álló sorozatot tartalmazó kvadruplexekhez 2 ilyen szekvencia is elég. Ezek a kvadruplexek így bimolekulárisak. Végül a 4 különböző guaninsorozatot tartalmazó szerkezetek önmaguktól képesek stabil kvadruplexet alkotni, így intramolekulárisak.
A guaninbázisok elrendezésétől függően egy kvadruplex számos alakot felvehet különböző konfigurációkkal. Ha minden DNS-szál azonos irányba halad, a kvadruplex párhuzamos. Intramolekuláris kvadruplexek esetén ekkor minden körnek propellernek kell lennie, melyek a kvadruplex oldalain vannak. Ha egy vagy több guaninsorozat 5’-3’ iránya a többivel ellentétes, a kvadruplex antipárhuzamos. Ekkor a guaninsorozatokat egymáshoz csatlakoztató körök az intramolekulás kvadruplexekben vagy átlósak (ellentétes guaninsorozatokat csatlakoztatók), vagy laterálisak (oldal menti), így két szomszédos guaninsorozatot csatlakoztatnak.
A kétszálú DNS-ből alkotott G-kvadruplexekben lehetségesek szálközi topológiák is. E kvadruplexek mindkét DNS-szálból tartalmaznak guanint.
Szerkezete és szerepe a genomban A humán genom szekvenálása után számos kvadruplexalkotásra képes guaningazdag szekvenciát találtak. A sejt típusától és sejtciklusban való állapotától függően a közvetítő tényezők, például a kromatin DNS-kötő fehérjéi és más környezeti tényezők befolyásolhatják a kvadruplexkeletkezést. Például a molekulazsúfoltság kvantitatív termodinamikai elemzése alapján az antipárhuzamos G-kvadruplexet a molekulazsúfoltság stabilizálja. Ez feltehetően a DNS-hidratáció megváltozása és ennek Hoogsteen-bázispárkötésre gyakorolt hatása okozza. Ezek gyakran kromoszómák végén fordulnak elő. Továbbá a G-kvadruplex-képzés valószínűsége transzkripció során RNS-ben hajtű- vagy G-kvadruplex-szekvenciák létrehozásához a hajtűlétrehozó szekvencia helyétől függ.
Mivel a javító enzimek a lineáris kromoszómák végeit sérült DNS-ként észlelnék, és ezeket káros hatásként dolgoznák fel, egyértelmű jelzés és szigorú szabályzás kell a kromoszómák végein. A telomerek lehetővé teszik e jelzést. Ezek guaninban gazdagok, hajlamosak G-kvadruplex-képzésre, gyakran a kromoszómák végén vannak, és segítik a genom integritásának megőrzését a végek instabilitástól való védelmével.
E telomereket hosszú CCCTAA:TTAGGG ismétlődések jellemzik. Az ismétlődéek 3'-kiemelkedéssel érnek véget 10-50 egyszálú TTAGGG ismétlődéssel. A heterodimer-komplex ribonukleoprotein telomeráz a DNS-szálak 3'-végéhez TTAGGG sorozatokat ad. A G-gazdag meghosszabbítás képes másodlagos szerkezetek, például G-kvadruplexek létrehozására, ha hosszabb 4 TTAGGG ismétlődésnél. Ezek jelenléte megakadályozza a telomer telomeráz általi elongációját. Előfordulás Telomerkvadruplexek A telomerismétlődésekről számos élőlényben kimutatták in vitro a kvadruplexek létrehozását, később pedig kimutatták ugyanezt in vivo. A humán telomerismétlődés (mely minden gerincesnél ugyanaz) a TTAGGG számos ismétlődéséből áll, és az így keletkező kvadruplexek 5-8 nm-es gyöngyszerű szerkezetekben fordulhatnak elő, és NMR-, TEM- és röntgenvizsgálatokkal meghatározták. E kvadruplexek keletkezése csökkenti a telomeráz aktivitását, mely a telomerek hosszáért felel, és a rákok 85%-áért felel. Ez egy aktív kutatási célpont gyógyszerek, például a telomesztatin számára.
A G-kvadruplex-mediált genominstabilitás sok rákkal összefüggő egypontos nukleotidvariánst okoz. Telomeren kívüli kvadruplexek A kvadruplexek nemcsak telomerekben vannak jelen. Humán, csimpánz-, egér- és patkánygenomok elemzése számos pG4 szekvenciát mutatott a telomereken kívül. Sok ilyen kvadruplex volt promoterekben, és ezek a fajok közt állandók maradtak. Sok G-kvadruplex található az E. coliban és több száz más mikrobiális genomban. Itt is a gerincesekhez hasonlóan a G-kvadruplexek gyakoriak a promoterekben. Ezenkívül több mint egymilliárd éves G-kvadruplex-lokusz is ismert növényekben és algákban az RNS-polimeráz II nagy alegységének génjében. Bár e tanulmányok G-kvadruplex-mediált génszabályzást jeleztek előre, nem valószínű, hogy minden pG4 in vivo is keletkezik. A c-myc protoonkogén egy génaktivitásért felelős nukleáz-hiperszenzitív régióban G-kvadruplexet alkot. További, promoterében G-kvadruplexet tartalmazó gének például a tyúk-β-globin génje, a humán ubikvitin-ligáz RFP2, valamint a c-kit, bcl-2, VEGF, a H-ras és az N-ras.
Kvadruplexkeletkezési szabályon alapuló genomfelméréseket is végeztek humán feltételezett kvadruplexszekvencián, de ezek nem mindegyike alakít in vivo kvadruplexet. Hasonló tanulmányok azonosítottak feltételezett G-kvadruplexeket prokariótákban, például E. coliban. Számos lehetséges modell van a kvadruplexek génaktivitás-módosítására. Egy modell látható lejjebb, ahol egy promoterben vagy ahhoz közel G-kvadruplex alakul ki, blokkolva a gén transzkripcióját, inaktívvá téve azt. Egy másik modellben a nem kódoló DNS-ben lévő kvadruplex lehetővé teszi a kódoló DNS nyitott állását és a megfelelő gén kifejeződésének növelését. Funkció Feltehetően a kvadruplexképződés az immunglobulin-nehézlánc-váltásban játszik szerepet. A sejtek a kvadruplexek feloldására fejlesztettek módszereket, mivel a kvadruplexképződés káros lehet egy sejtnek, így a WRN helikáz és a Bloom-szindróma-fehérje nagy affinitással old fel G-kvadruplexeket. A DEAH/RNS-helikáz DHX36 fontos G-kvadruplex-reszolváz. 2009-ben egy áttétfehérjéről, az NM23H2-ről (más néven NME2) kiderült, hogy a c-myc promoterének kvadrulpexével közvetlen kölcsönhatásba lép, és transzkripcióját szabályozza. 2017-ben kiderült, hogy az NM23H2 a humán telomeráz hTERT promoterének G-kvadruplexével is kölcsönhatásba lép, annak expresszióját szabályozza. 2019-ben a 2. telomerkötő faktorról (TRF2, TERF2) kiderült, hogy több ezer telomeren kívüli G-kvadruplexhez kötődik a TRF2 ChIP-seq. révén Számos tanulmány ír a kvadruplexek pozitív és negatív transzkripciószabályzásáról, beleértve a gének, például a hTERT epigenetikai szabályzását. A G-kvadruplexekről kiderült az is, hogy az immunglobulin nehéz génjeinek és a patogén Neisseria pilinantigén-variációs rendszerének programozott rekombinációjáról. A kvadruplex szerepei nem jól ismertek. A humán sejten belüli G-kvadruplexek közvetlen megjelenítése és egy G-kvadruplexhez kötött RNS-helikáz társkristályszerkezete fontos információt adott a sejtbiológiai fontosságukról. A kvadruplexek lehetséges pozitív és negatív telomerreplikációs szerepei és funkciói ismeretlenek. A T-hurkok és a G-kvadruplexek a DNS két olyan szerkezete, melyek megvédik a telomervégeket és szabályozzák a telomerhosszt.
Genomszabályzás G-kvadruplexek kialakulásával Számos genomszabályzó folyamat kapcsolatban állhat G-kvadruplexek keletkezésével, mivel a purin- vagy pirimidinmentes (AP-helyek) javításában játszhat szerepet. Az AP helyek hozzárendelésének új módszerét (AP-seq) 2020-ban fejlesztette ki A. R. Poetsch, és biotinnal jelölt aldehidreaktív vizsgálatot (ABP) használ a genom azon helyeinek jelölésére, ahol az AP-helyek jelentős károsodást okoztak. Egy másik genomszekvenálási módszer, a ChIP-szekvenálás használható mind az AP-helyek károsodásának, mind az azt javító AP-endonukleáz 1 (APE1) elemzésére. Mind a ChIP-szekvenálás, mind az ABP alapján az AP-helyek sérülése nem véletlenszerű, és gyakoribb a genom egyes promotert és kifejeződést növelő részeiben, melyek egy része kapcsolatban állhat a tüdő-adenokarcinómával és a vastagbélrákkal. Az AP-károsodás főként a genom PQS-részeiben fordul elő, ahol a G-kvadruplex-keletkezés szabályozott, és a báziseltávolító javítás ezt növeli. A báziseltávolító javítás mértéke az öregedéssel csökken, mivel az azt lehetővé tevő részek bomlanak, ami számos betegség, például az Alzheimer-kór kialakulásához vezethet. E G-kvadruplexeket feltehetően a szuperhelicitás okozza a promoterekben, mely a kettős hélix felbomlását segíti, és G-kvadruplexet kialakítva kapcsolja a szálakat a guaningazdag részeken. A BER-út jelez oxidatív báziskárosodásnál, ahol a 8-oxoguanin-DNS-glikoziláz 1-hez (OGG1), APE1-hez és a G-kvadruplexhez hasonló szerkezetek nagy szerepet játszanak a javításban Ezen enzimek vesznek részt a BER-ben egyes DNS-léziók, például a 7,8-dihidro-8-oxoguanin (8-oxoG) javításában, mely a guaninból keletkezik oxidatív stressz hatására. Az endogén oxidációs DNS-károsodás szerepe a G4-kialakulásban