ALSおよびFTLDに関連するセンスおよびアンチセンスRNAヘキサヌクレオチドリピートの構造多様性

Structural Diversity of Sense and Antisense RNA Hexanucleotide Repeats Associated with ALS and FTLD.

• Tim Božič
• Matja Zalar
• Boris Rogelj
• Janez Plavec
• Primož Šket

抄録

筋萎縮性側索硬化症（ALS）や前頭側頭葉型認知症（FTLD）の最も一般的な遺伝的原因は、遺伝子に存在するヘキサヌクレオチド拡張GGGGGCCである。筋萎縮性側索硬化症（ALS）や前頭側頭葉型認知症（FTLD）の原因の一つにはRNAの毒性があることが知られています。形成されたRNA病巣は、RNA結合タンパク質を隔離し、その局在のずれを引き起こし、その生物学的機能を低下させる。そのため、病的なRNA転写産物が採用している構造は、ALSやFTLDの発症に重要な役割を果たしている可能性がある。本研究では、4回のヘキサヌクレオチドリピートを持つグアニンリッチセンスとシトシンリッチアンチセンスのRNAオリゴヌクレオチドの構造をNMR分光法と相補的な手法を用いて調べた。どちらのオリゴヌクレオチドも二量体やヘアピンを形成する傾向があるが、これらの構造の平衡は、アンチセンスオリゴヌクレオチドがpHの変化に、センスオリゴヌクレオチドが温度の変化に敏感であることで異なっていた。また、グアニンに富んだセンスRNAオリゴヌクレオチドは、Kイオンの存在下では、G-四重鎖と呼ばれる二次構造をとる。また、アンチセンスRNAオリゴヌクレオチドが特定の条件下でi-モチーフを形成することを初めて観測した。さらに、センスRNAとアンチセンスRNAオリゴヌクレオチドが同時に存在するとヘテロ二量体の形成が促進されることを明らかにした。センスRNAとアンチセンスRNAの構造多様性の研究は、神経変性疾患の複雑な性質を明らかにするだけでなく、ALSやFTLDの治療におけるドラッグデザインのターゲットとなる可能性を示しています。

The hexanucleotide expansion GGGGCC located in gene represents the most common genetic cause of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal lobar dementia (FTLD). Since the discovery one of the non-exclusive mechanisms of expanded hexanucleotide GC repeats involved in ALS and FTLD is RNA toxicity, which involves accumulation of pathological sense and antisense RNA transcripts. Formed RNA foci sequester RNA-binding proteins, causing their mislocalization and, thus, diminishing their biological function. Therefore, structures adopted by pathological RNA transcripts could have a key role in pathogenesis of ALS and FTLD. Utilizing NMR spectroscopy and complementary methods, we examined structures adopted by both guanine-rich sense and cytosine-rich antisense RNA oligonucleotides with four hexanucleotide repeats. While both oligonucleotides tend to form dimers and hairpins, the equilibrium of these structures differs with antisense oligonucleotide being more sensitive to changes in pH and sense oligonucleotide to temperature. In the presence of K ions, guanine-rich sense RNA oligonucleotide also adopts secondary structures called G-quadruplexes. Here, we also observed, for the first time, that antisense RNA oligonucleotide forms i-motifs under specific conditions. Moreover, simultaneous presence of sense and antisense RNA oligonucleotides promotes formation of heterodimer. Studied structural diversity of sense and antisense RNA transcripts not only further depicts the complex nature of neurodegenerative diseases but also reveals potential targets for drug design in treatment of ALS and FTLD.