Effect of DNA G-quadruplex structures (G4) on prokaryotic gene expression

Abstract

DNA G-dörtlüleri (G4s), birkaç nükleotid aralıklı dört ardışık guanin tract'i içeren bir motife sahip olan ve Hoogsteen bağı ile bağlı üst üste dört guanin tetrad oluşturan 4 iplikli ikincil DNA yapılarıdır. G-dörtlüleri, birçok organizmada önemli genomik bölgelerde bulunurlar ve moleküler yapıları ve hücredeki işlevsel rolleri açısından kapsamlı olarak araştırılmışlardır. Grubumuz tarafından E. coli genomunda hem G4 hem de hairpin yapıları oluşturabilen, bunlar arasında geçiş yapabilen ve gen ifadesi üzerinde düzenleyici rolü olduğu varsayılan bir G4 motifi tanımlanmıştır. Gen ifadesinin işlevsel etkileri belirli G4 yapıları için çok değişken olabileceğinden, bu G4'ün gen düzenlemesi üzerindeki rolünü araştırmayı amaçladık. GFP raportör gen yapısının promotör bölgesine G4'ün varyantlarını ekledik, vektörü E. coli'ye transforme ettik ve floresan spektroskopisi ile gen ifadesini ölçtük. Ayrıca, gen ekspresyonu üzerindeki etkilerini daha kapsamlı bir şekilde araştırmak için hücreleri G4 yapısını stabilize ettiği bilinen ligandlar olan LiCl ve TMPyP4 ile muamele ettik. Gen ekspresyonunu etkileyen değişebilen anahtar mekanizmasında G4 yapısının hairpinden daha etkili olduğunu bulduk. Varyant grupları arasında, LiCl uygulaması genel ekspresyon modelini değiştirmedi ve TMPyP4 uygulaması, zayıflatma özelliği veya diziye özgü öngörülemeyen DNA ikincil yapısı etkileşimi ile ilgili olabilecek tutarsız bir model verdi. Bu sonuçlar, bu değişebilen G4'ler tarafından E. coli'deki gen ekspresyon mekanizmasının düzenlenmesinin anlaşılmasına olanak tanımaktadır.

DNA G-quadruplexes (G4s) are 4-stranded secondary DNA structures that has a motif containing four consecutive tracts of guanine spaced by several nucleotides and form fourstacks of guanine tetrads bond by Hoogsteen base pairing. They are found in many organisms at significant genomic regions which also have been investigated extensively for their molecular structure and functional role in cell. One G4 motif was identified by our group in E. coli genome to be capable of forming both G4 and hairpin structures, able to switch between those, and hypothesized to have regulatory role on gene expression. We aimed to investigate the role of that G4 on gene regulation since the functional influences of gene expression may be too variable for specific G4 structures. We have inserted variants of the G4 into promoter region of GFP reporter gene construct and transformed the vector into E. coli and measure gene expression through florescence spectroscopy. We also have treated the cells with ligands LiCl and TMPyP4 known to stabilize the G4 structure to investigate the effects on gene expression more comprehensively. We found that G4 structure is more persistent than hairpin in the regulatory switch mechanism affecting on gene expression. LiCl treatment have not change the overall expression pattern and TMPyP4 treatment yielded an inconsistent pattern among variant groups that could be related to its destabilizing property or interaction with sequence specific unpredicted DNA secondary structure. These results are giving insight about regulation of gene expression mechanism in E. coli by these switchable G4s.