R-zanke in G-kvadrupleksi pri organizaciji genoma in transkripciji

Uvod

Kromatin si navadno predstavljamo kot dvojno DNK vijačnico, ovito okoli histonskih proteinov, vendar je njegova oblika v celici dejansko vselej spreminjajoča in jo lahko opazujemo v različnih konformacijah. Ena izmed teh je tri vijačna struktura, imenovana R-zanka, ki nastane, ko se veriga RNK vrine v DNK vijačnico in poveže z eno izmed verig. Ta struktura najpogosteje nastane med transkripcijo, ko se novo sintetizirana mRNK veže nazaj na svojo matrično DNK verigo, lahko pa se tvori tudi ob vezavi dolgih ne kodirajočih RNK (angl. lncRNA) na specifične regije genoma. Nagnjenost kromatina k tvorbi R-zank je odvisna od mnogih dejavnikov, recimo dodatnega zvitja, ključen pomen pa ima samo zaporedje nukleotidov. Najugodnejše so regije, kjer je matrična DNK veriga bogata z citozinom, saj je povezava z gvaninom bogato RNK verigo zelo termodinamsko ugodna, prav tako pa se v izpodrinjeni DNK verigi tripleti gvaninskih baz lahko organizirajo v sekundarno strukturo, imenovano G-kvadrupleks (G4). To je stabilna struktura, v kateri se štirje gvanini povežejo v ravninske G-tetrade z vodikovimi vezmi, te pa se zlagajo ena nad drugo in jih stabilizirajo kovinski ioni (npr. K⁺), prav tako pripomorejo k skupni obstojnosti kompleksa R-zanke. Oba pojava imata v genomu pomembno vlogo pri regulaciji transkripcije, epigenetskih procesih in popravljalnih mehanizmih DNK [1].

Vloga v organizaciji genoma

V jedru je struktura kromatina organizirana na več ravneh, ki jih okvirno delimo na kompartmente, topološko asociirane domene (TAD) in kromatinske zanke. Tridimenzionalna ureditev genoma omogoča ustrezne stike med genomskimi elementi, prav tako pa vzpostavlja jasne meje med sosednjimi regijami. Ključno vlogo pri uravnavanju razdalj med posameznimi genomskimi elementi imajo kromatinske zanke znotraj TAD, ki nastanejo z drsenjem DNK verige skozi obroč kohezina. Proces se ustavi, ko kohezin naleti na vezan stop signal, najpogosteje arhitekturni protein CTCF, ki deluje kot mejni element in določa robove kromatinskih zank (slika 1: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12044674/figure/F4/) [1].

Regulacija vezave CTCF in vplivi

Prav na mejah med TAD ter na mestih vezave CTCF se pogosto pojavljajo tudi R-zanke in G4 kompleksi, torej ni presenetljivo, da pri urejanju genoma igrajo določeno vlogo. CTCF se veže na specifična DNK zaporedja, vendar je stabilnost vezave odvisna od mnogih faktorjev, kot so recimo lokalne strukture. Eksperimentalni podatki kažejo, da prisotnost R-zank v bližini CTCF motiva poveča njegovo afiniteto za vezavo, dodatna prisotnost G4 struktur pa vezavo še okrepi.
Ključno je, da se CTCF torej ne veže direktno na te strukture, ampak da delujejo posredno, tako da povečajo dostopnost DNK ter stabilizirajo konformacijo, ki je ugodna za vezavo. Na ta način prispevajo k oblikovanju funkcionalnih mej genomskih domen. Regije, ki so bogate z R-zankami in G4, so zato pogosteje povezane z vezavo CTCF, kar prispeva k vzpostavitvi jasno definiranih območij z omejenimi medsebojnimi interakcijami.
V širšem kontekstu lahko R-zanke in G4 vplivajo na delovanje kohezinskega kompleksa tudi neodvisno od CTCF. Določene raziskave kažejo, da lahko te strukture delujejo kot funkcionalna ovira oz. stop signal, neodvisno od drugih proteinov. S tem dodatno prispevajo k nastanku in regulaciji kromatinskih zank [2].

Vpliv na ureditev kohezina

Kohezin se na DNK, ko je ta v odprti konformaciji, naloži v obroč, skozi katerega nato DNK drsi in s tem omogoča nastanek kromatinske zanke. Proces nalaganja in zapiranja obroča se odvija ob pomoči nalagalnega kompleksa NIPBL-MAU2, ki katalizira vezavo kohezinskega kompleksa. Študije kažejo, da se lahko ena izmed podenot kohezinskega kompleksa v določenih kontekstih neodvisno veže na R-zanko, ter po uspešni vezavi promovira sestavitev funkcionalnega kompleksa, tudi v odsotnosti NIPBL-MAU2. Takšni mehanizmi lahko delujejo kot dodatna ali alternativna pot usmerjanja kohezinov na specifična mesta genoma, zlasti v območjih aktivne transkripcije, kjer so R-zanke pogoste. [1].

Viri

[1] P. Wulfridge, K. Sarma: Intertwining roles of R-loops and G-quadruplexes in DNA repair, transcription, and genome organization. Nat. Cell Biol. 2024, 26, 1025–1036. DOI: 10.1038/s41556-024-01437-4
[2] P. Wulfridge, Q. Yan, N. Rell, J. Doherty, S. Jacobson, S. Offley, S. Deliard, K. Feng, J. E. Phillips-Cremins, A. Gardini idr.: G-quadruplexes associated with R-loops promote CTCF binding. Mol. Cell 2023, 83, 3064-3079.e5. DOI: 10.1016/j.molcel.2023.07.009