Exploration of the Structure and Recognition of a G-quadruplex in the her2 Proto-oncogene Promoter and Its Transcriptional Regulation

Cui, Xiaojie; Chen, Han; Zhang, Qiang; Xu, Ming; Yuan, Gu; Zhou, Jiang

doi:10.1038/s41598-019-39941-5

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“…These studies further highlight the potential tunability of mTOR expression via the secondary structure of P2 G4. As evidenced by the recent discoveries of novel G-quadruplexes 60,65,66,67,68,69 , this unique secondary structure provides an opportunity for the future design and synthesis of mTOR specific ligands. This study would also assist in identifying diverse targets for alternative therapeutic approaches to control overexpression of mTOR gene paving the path for detailed studies in this frontier.…”

Section: Discussionmentioning

confidence: 99%

Putative G-quadruplex Formation in the Upstream Region of mTOR Gene

Fatma

Saha

Das

2022

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The mammalian target of rapamycin (mTOR) and its signaling pathways are highly critical for maintaining cell homeostasis. The mTOR signaling pathway is often hyperactivated in many types of cancers making it an attractive therapeutic target for cancer. The efficacy of current mTOR protein inhibitors in therapy has seen limited success. The search for alternative means of therapy may lie in the regulation of mTOR gene expression using DNA structures. In the current study, we explore and report the presence of a novel G4 structure in the upstream region of mTOR gene. We have demonstrated the G-quadruplex formation in the mTOR G4 region using biophysical experiments. This study paves the way for the design of novel selective DNA G4 binders for mTOR G4 for anticancer therapeutics.

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Section: Discussionmentioning

confidence: 99%

Putative G-quadruplex Formation in the Upstream Region of mTOR Gene

Fatma

Saha

Das

2022

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“…Breast cancer cells can acquire the ability to continuously proliferate through various molecular pathways. Genes including hTERT , HER2 ( ERBB2 ), HRAS , KRAS and c-MYC confer increased proliferative capacity in breast cancer ( 142 , 143 ). Each of these genes has been linked to silencing in cancer through DNA secondary structure formation, as discussed below.…”

Section: Non-canonical Dna Secondary Structures As Modulators Of Gene Expressionmentioning

confidence: 99%

“…The HER2 promoter contains a G4-forming sequence which is the binding site for several TFs ( 147 ). When folded, the HER2 promoter G4 element acts to block transcription resulting in repression of HER2 ( 148 ). Downregulation of HER2 levels is a potential therapeutic target and has been demonstrated within breast cancer cells via a luciferase reporter assay whereby stabilization of the HER2 promoter G4 structure downregulated HER2 expression at both the mRNA and protein levels ( 148 ).…”

Section: Non-canonical Dna Secondary Structures As Modulators Of Gene Expressionmentioning

confidence: 99%

Modulating gene expression in breast cancer via DNA secondary structure and the CRISPR toolbox

et al. 2021

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Breast cancer is the most commonly diagnosed malignancy in women, and while the survival prognosis of patients with early-stage, non-metastatic disease is ∼75%, recurrence poses a significant risk and advanced and/or metastatic breast cancer is incurable. A distinctive feature of advanced breast cancer is an unstable genome and altered gene expression patterns that result in disease heterogeneity. Transcription factors represent a unique therapeutic opportunity in breast cancer, since they are known regulators of gene expression, including gene expression involved in differentiation and cell death, which are themselves often mutated or dysregulated in cancer. While transcription factors have traditionally been viewed as ‘undruggable’, progress has been made in the development of small-molecule therapeutics to target relevant protein–protein, protein–DNA and enzymatic active sites, with varying levels of success. However, non-traditional approaches such as epigenetic editing, transcriptional control via CRISPR/dCas9 systems, and gene regulation through non-canonical nucleic acid secondary structures represent new directions yet to be fully explored. Here, we discuss these new approaches and current limitations in light of new therapeutic opportunities for breast cancers.

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“…The depicted (n=3)-layered motifs are the most common G4-motif. In general however G4s with n≥2 88 layers can form stable structures, depending on the nucleotide sequence (n=2 [89][90][91][92] , n=4 93,94 ).…”

Section: Canonical Structural Polymorphismmentioning

confidence: 99%

“…HER289 , RB1470,471 and RET 325 .2.4 The cMYC Proto-Oncogene Promoter"I am, of course, most ignorant about all things biological, but I imagine most (X-ray) people start that way. "…”

mentioning

confidence: 99%

Time-resolved NMR-spectroscopic studies of conformational dynamics in DNA G-quadruplexes

Grün¹

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Die vorliegende Arbeit Zeitaufgelöste NMR-spektroskopische Untersuchung konformationeller Dynamiken in DNA G-Quadruplexen befasst sich mit der detaillierten biophysikalischen Untersuchung wichtiger strukturdynamischer Eigenschaften von nicht-kanonischen Nukleinsäure Sekundärstrukturelementen. Im Genom aller eukaryotischer Lebewesen, insbesondere dem menschlichen Genom finden sich DNA-Sequenzabschnitte, die überdurchschnittlich Guanosin (G)-reich sind. Diese poly-G Abschnitte sind nicht zufällig im Genom verteilt, sondern häufen sich vermehrt in Genabschnitten, die besonders wichtig für die Regulation der Genexpression sind. G-reiche DNA-Sequenzen können unter geeigneten Umständen alternative Sekundärstrukturen ausbilden, die von der doppelsträngigen, kanonischen Watson-Crick Konformation abweichen. In Anwesenheit monovalenter Kationen können sich G-Nukleotide in einer Tetrade über Hoogsteen Interaktionen anlagern. Diese Tetraden können sich stapeln und dadurch sogenannte G-Quadruplexe (G4) ausbilden. Das menschliche cMYC Gen wird typischerweise als proto-Onkogen bezeichnet. Es kodiert für einen unspezifischen Transkriptionsfaktor, der bei einer Vielzahl von systematischen und soliden Tumorerkrankungen stark überexprimiert wird. Die zelluläre Konzentration des Genprodukts kann zu 90% über ein G4 cis-Element in der Promotorregion reguliert werden. Der cMYC G4 hat die Möglichkeit verschiedene Konformationen einzunehmen. Im Falle des cMYC G4 kann man zusätzliche, nicht-konventionelle Formen der konformationellen Isomerie finden. Zum einen gibt es die Möglichkeit, dass bei einem G4, der aus drei Tetraden und vier intramolekularen Strangabschnitten (dreistöckiger G4) besteht, einzelne Strangabschnitte mehr als drei konsekutive G-Nukleotide besitzen. Dadurch können sich Faltungs-Isomere bilden, die sich durch Verschieben des Strangs relativ zum verbleibenden dreistöckigen Tetradengerüst ergeben. Man spricht von G-Register Isomeren. Eine zweite Möglichkeit der Strukturisomerie ergibt sich, wenn in einer Nukleotidsequenz mehr als vier G-reiche Strangabschnitte aufeinander folgen. Jeweils vier dieser Strangabschnitte können in unterschiedlicher Weise kombiniert werden, um ein G4 Isomer auszubilden. In jedem dieser so zustande gekommenen G4 verbleibt ein (oder mehrere) G-reicher Strangabschnitt, der im konkreten Isomer nicht zur Faltung verwendet wird. Diese zusätzlichen G-Stränge werden daher auch Ersatzräder (engl. spare-tires) genannt; man erhält spare-tire Isomere. Obwohl diese Formen des Polymorphismus, deren biologischer Kontext und die biophysikalischen Konsequenzen in Arbeiten von C. Burrows (2015) und A. Mittermaier (2016) erstmals umfassend beschrieben wurden, gab es bis zum Ausgangspunkt dieser Arbeit keine Kenntnisse über deren strukturelle Dynamik, den Faltungswegen und den zugrundeliegenden molekularen Mechanismen. Zeitaufgelöste Kernspinresonanz (engl. nuclear magnetic resonance, NMR) Spektroskopie ist eine bestens geeignete Methode, um die Dynamik von Biomakromolekülen mit atomarer Auflösung zu studieren. Um solche Experimente durchführen zu können, braucht es geeignete Herangehensweisen für die Präparation eines Nicht-Gleichgewichtszustands. In dieser Arbeit wird eine neu erarbeitete Strategie vorgestellt, die es erlaubt, Einblick in die Faltungs- und Umfaltungskinetiken eines dynamischen Konformations-Ensembles nicht-konventioneller Strukturisomere der cMYC G4 DNA-Sequenz zu erhalten. Hierzu wurden photolabile Schutzgruppen (engl. Photocages) positionsspezifisch an bestimmten G-Nukleobasen (O6-(R)-NPE) angebracht. Die Schutzgruppen blockieren die Basenpaar-Interaktionen des Nukleotids, wodurch dieses sich nicht mehr an einer Tetradenbildung beteiligen kann. Die Photocages wurden jeweils an den Nukleotiden eingeführt, die nur in jeweils einem der G-Register Isomere an der Tetradenbildung beteiligt sind. Durch diese gezielte Destabilisierung konnten die Isomere getrennt und im gefalteten Zustand isoliert werden. Die so erhaltenen Konformationen wurden umfassend spektroskopisch charakterisiert. Der Ansatz, das konformationelle Gleichgewicht durch Photocages transient zu stören, wurde daraufhin weiterentwickelt. Mehrere Photocages wurden an Nukleobasen in zentraler Position einzelner G-Strangabschnitte angebracht. Dadurch konnte eine ausreichende Destabilisierung erreicht werden, die die Faltung jedweder G4 Strukturen unterbindet. Somit wurde ein ungefalteter Zustand erzeugt, der unter ansonsten frei wählbaren, physiologischen Bedingungen besteht. Durch in situ Photolyse der Schutzgruppen konnte so die Licht-induzierte G4 Faltung unter konstanten Puffer- und Temperaturbedingungen untersucht werden. Dieser Ansatz wurde auf die Untersuchung der Faltungswege, die zu verschiedenen spare-tire Isomeren führen, fokussiert. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass es insgesamt erstmalig gelungen ist, die Kinetiken der wesentlichen Faltungs- und Umfaltungswege entlang der konformationellen Energielandschaft des cMYC G4 Elements zu untersuchen. Das komplexe, dynamische Zusammenspiel aller relevanten, nicht-konventionellen isomeren G4 Strukturen konnte entworren und umfassend experimentell beschrieben werden. Der dafür weiterentwickelte Ansatz über konformationelle Selektion mit Hilfe photolabiler Schutzgruppen hat dabei experimentelle Einblicke erlaubt, die bislang nicht zugänglich waren. Die Strukturen und Faltungszustämde, die mit den chemisch modifizierten Oligonukleotiden erhalten und isoliert wurden, sind umfassend spektroskopisch untersucht worden. Die Anwendung verschiedener spektroskopischer Ansätze und deren Kombination mit weiteren biophysikalischen Methoden hat eine Methoden-unabhängige Validierung der erhaltenen kinetischen und thermodynamischen Daten ermöglicht.

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Exploration of the Structure and Recognition of a G-quadruplex in the her2 Proto-oncogene Promoter and Its Transcriptional Regulation

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