Nat Cell Biol | 曲晓刚团队开发特异性靶向基因组G-四链体新策略
来源：生物探索 2024-07-08 09:46
该研究开发了一种可以特异性靶向基因组G4结构的新技术，该技术将有助于进一步阐明G4结构与其邻近基因和各种生物学过程的关系。
G-四链体（G-quadruplex, G4）是由DNA或RNA形成的特殊的核酸二级结构【1】。由于大量的G4结构被发现存在于活细胞的基因组和转录组中，G4的生物学功能在过去的数十年中受到了广泛的关注。越来越多的研究表明，基因组和转录组中天然的G4在端粒维持、DNA复制、染色质重塑、转录、RNA剪接和翻译等方面发挥着重要作用，因此促使人们探索G4作为疾病治疗干预的潜在靶点，特别是针对癌症、神经退行性疾病和病毒感染【1】。
利用G4稳定配体靶向癌基因（如MYC和KRAS等）的启动子区或端粒区的G4结构来抑制肿瘤细胞生长，已经成为一种有吸引力的新型癌症治疗策略【2, 3】。然而，进入临床试验的G4配体的数量却非常少，因为大多数G4配体缺乏选择性，可以与多个G4结构结合，考虑到细胞中数以万计的G4结构，这可能导致过多副作用的产生。另外，G4配体已被广泛用于研究G4的生物学功能。然而，由于缺乏选择性，该方法无法精确定义G4与特定生物学过程之间的关系。因此，开发可以选择性靶向特定基因组G4结构的策略对于更好地理解G4生物学功能以及推动基于G4结构的药物开发至关重要。
2024年7月3日，中国科学院长春应用化学研究所、稀土资源利用国家重点实验室曲晓刚研究员课题组在Nature Cell Biology期刊上发表了题为Targeting specific DNA G-quadruplexes with CRISPR-guided G-quadruplex-binding proteins and ligands的研究性论文。本项工作将CRISPR技术与G4结合蛋白/配体相结合（图1），开发出一种可以选择性靶向特定基因组G4结构的新策略。
CRISPR技术已被广泛用于通过融合无催化活性内切酶（dCas9蛋白）将功能蛋白或化合物招募到特定基因组位点，进行基因调控，基因组成像，染色质或DNA修饰以及染色质免疫沉淀等【4】。首先，课题组构建dCas9/核仁素的融合蛋白（核仁素是已知的G4稳定蛋白【5】），在向导RNA（sgRNA）的引导下精确靶向基因组特定的G4位点，这可以将核仁素招募至该位点与特定G4结构结合。利用该策略，课题组特异性地靶向了癌基因MYC和肌肉分化相关基因Itga7的启动子区G4以及端粒区G4，同时阐明了这些G4结构与肿瘤细胞增殖、衰老以及肌肉细胞分化的关系。进一步，课题组利用生物素-亲和素系统将G4配体与dCas9蛋白相偶联，招募G4配体PDS和PDC稳定特定基因组位点的G4结构。利用该策略，可以实现单个G4或多个不同的G4的稳定，而不影响细胞内其他非CRISPR靶向的G4结构。
图1. 将CRISPR技术与G4结合蛋白/配体结合靶向基因组特定G4结构（Credit: Nature Cell Biology）
综上所述，该研究开发了一种可以特异性靶向基因组G4结构的新技术，该技术将有助于进一步阐明G4结构与其邻近基因和各种生物学过程的关系。此外，该技术为活细胞筛选G4探针或G4候选药物开辟了一条新途径，这些药物仅对感兴趣的G4具有特异性和靶向性，脱靶效应风险低，有助于基于G4的疾病诊断和治疗的发展。
参考文献：
1 Varshney, D., Spiegel, J., Zyner, K., Tannahill, D. & Balasubramanian, S. The regulation and functions of DNA and RNA G-quadruplexes. Nature reviews. Molecular cell biology 21, 459-474, doi:10.1038/s41580-020-0236-x (2020).
2 Balasubramanian, S., Hurley, L. H. & Neidle, S. Targeting G-quadruplexes in gene promoters: a novel anticancer strategy? Nature reviews. Drug discovery 10, 261-275, doi:10.1038/nrd3428 (2011).
3 Chen, L., Dickerhoff, J., Sakai, S. & Yang, D. DNA G-Quadruplex in Human Telomeres and Oncogene Promoters: Structures, Functions, and Small Molecule Targeting. Accounts of chemical research 55, 2628-2646, doi:10.1021/acs.accounts.2c00337 (2022).
4 Dominguez, A. A., Lim, W. A. & Qi, L. S. Beyond editing: repurposing CRISPR-Cas9 for precision genome regulation and interrogation. Nature reviews. Molecular cell biology 17, 5-15, doi:10.1038/nrm.2015.2 (2016).
5 Santos, T., Salgado, G. F., Cabrita, E. J. & Cruz, C. Nucleolin: a binding partner of G-quadruplex structures. Trends in cell biology 32, 561-564, doi:10.1016/j.tcb.2022.03.003 (2022).
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