ALSおよびFTD関連G4C2を含むRNAモノマーGカドルプレックスの3次元構造と、実験的制約と分子動力学シミュレーションに基づいて相同性モデリングによってプローブされたTMPYP4との結合

ヒトC9ORF72遺伝子内のG-クアドルプレックス形成ヘキサヌクレオチド繰り返し膨張（HRE）、D（G4C2）Nは、家族性筋萎縮性側索硬化性硬化症 - 脳腹側頭腹部認知症の根本原因です（ALS-FTD）。最近の研究では、TMPYP4がALSおよびFTDの処理においてRNA Gカドルプレックスバインダーとして機能する可能性があることが示されています。モノマーヘキサヌクレオチド繰り返しの単量体DNA逆平行g-quadruplex形式の高解像度構造が最近解決されましたが、RNA平行g-quadruplex構造とTmpyp4との複合体はまだ利用できません。この研究では、実験的制約と並列モノマーG-クアドルプレックスDNA結晶構造に基づいて、R（G4C2）3G4の平行モノマーRNA G-Quadruplexの相同性モデルを最初に構築しました。相同性モデルのg-tetraコアは15μs分子動力学（MD）シミュレーションで安定していましたが、ループは、RNAのループの変動を減らすためにTMPYP4結合がわかった初期結晶構成に加えて追加の立体構造を採用することが観察されました。モノマーGカドルプレックス。次に、TMPyp4のRNAモノマーGカドルプレックスへのとらえどころのない結合挙動を調査しました。観察された結合モードは、TMPYP4を使用した平行DNA Gカドルプレックスの2つの実験複合体で観察されたモードに類似しています。また、結合経路に関する洞察を提供するために、マルコフ状態モデルを構築しました。一緒に、私たちの研究からの発見は、ALSやFTDなどの神経変性疾患の治療におけるg-quadruplex特異的リガンドの将来の発達を支援する可能性があります。

The G-quadruplex-forming hexanucleotide repeat expansion (HRE), d(G4C2)n, within the human C9orf72 gene is the root cause for familial amyotrophic lateral sclerosis-frontotemporal dementia (ALS-FTD). A recent study has shown that TMPyP4 has good potential to work as a RNA G-quadruplex binder in treating ALS and FTD. Although the high-resolution structure of the monomeric DNA antiparallel G-quadruplex form of the monomeric hexanucleotide repeat was recently solved, the RNA parallel G-quadruplex structure and its complex with TMPyP4 are not available yet. In this study, we first constructed the homology model for the parallel monomeric RNA G-quadruplex of r(G4C2)3G4 based on experimental constraints and the parallel monomeric G-quadruplex DNA crystal structure. Although the G-tetra core of the homology model was stable observed in 15 μs molecular dynamics (MD) simulations, we observed that the loops adopt additional conformations besides the initial crystal conformation, where TMPyP4 binding was found to reduce the loop fluctuation of the RNA monomeric G-quadruplex. Next, we probed the elusive binding behavior of TMPyP4 to the RNA monomeric G-quadruplex. Encouragingly, the binding modes observed are similar to the modes observed in two experimental complexes of a parallel DNA G-quadruplex with TMPyP4. We also constructed a Markov state model to provide insights into the binding pathways. Together, the findings from our study may assist future development of G-quadruplex-specific ligands in the treatment of neurodegenerative diseases like ALS and FTD.