Identifying DNA sequences that adopt alternative structures within the context of genomic DNA presents a major challenge. Pyridostatin, a G-quadruplex–specific chemical probe, was shown to induce DNA damage at specific genomic sites, including the proto-oncogene SRC, leading to cell cycle arrest in human cancer cells. Guanine-rich DNA sequences that can adopt non–Watson-Crick structures in vitro are prevalent in the human genome. Whether such structures normally exist in mammalian cells has, however, been the subject of active research for decades. Here we show that the G-quadruplex–interacting drug pyridostatin promotes growth arrest in human cancer cells by inducing replication- and transcription-dependent DNA damage. A chromatin immunoprecipitation sequencing analysis of the DNA damage marker γH2AX provided the genome-wide distribution of pyridostatin-induced sites of damage and revealed that pyridostatin targets gene bodies containing clusters of sequences with a propensity for G-quadruplex formation. As a result, pyridostatin modulated the expression of these genes, including the proto-oncogene SRC. We observed that pyridostatin reduced SRC protein abundance and SRC-dependent cellular motility in human breast cancer cells, validating SRC as a target of this drug. Our unbiased approach to define genomic sites of action for a drug establishes a framework for discovering functional DNA-drug interactions.

Abstract A self-cleaving ribozyme mapping to an intron of the cytoplasmic polyadenylation element binding protein 3 ( CPEB3 ) gene has been suggested to play a role in human episodic memory, but the underlying mechanisms mediating this effect are not known. The ribozyme’s self-scission half-life matches the time it takes an RNA polymerase to reach the immediate downstream exon, suggesting that the ribozyme-dependent intron cleavage is tuned to co-transcriptional splicing of the CPEB3 mRNA. Here we report that the murine ribozyme modulates its own host mRNA maturation in both cultured cortical neurons and the hippocampus. Inhibition of the ribozyme using an antisense oligonucleotide leads to increased CPEB3 protein expression, which enhances polyadenylation and translation of localized plasticity-related target mRNAs, and subsequently strengthens hippocampal-dependent long-term memory. These findings reveal a previously unknown role for self-cleaving ribozyme activity in regulating experience-induced co-transcriptional and local translational processes required for learning and memory.

Abstract A self-cleaving ribozyme that maps to an intron of the cytoplasmic polyadenylation element binding protein 3 ( CPEB3 ) gene is thought to play a role in human episodic memory, but the underlying mechanisms mediating this effect are not known. We tested the activity of the murine sequence and found that the ribozyme’s self-scission half-life matches the time it takes an RNA polymerase to reach the immediate downstream exon, suggesting that the ribozyme-dependent intron cleavage is tuned to co-transcriptional splicing of the CPEB3 mRNA. Our studies also reveal that the murine ribozyme modulates maturation of its harboring mRNA in both cultured cortical neurons and the hippocampus: inhibition of the ribozyme using an antisense oligonucleotide leads to increased CPEB3 protein expression, which enhances polyadenylation and translation of localized plasticity-related target mRNAs, and subsequently strengthens hippocampal-dependent long-term memory. These findings reveal a previously unknown role for self-cleaving ribozyme activity in regulating experience-induced co-transcriptional and local translational processes required for learning and memory. Significance Statement Cytoplasmic polyadenylation-induced translation is one of the key steps for regulating protein synthesis and neuroplasticity in the hippocampus. The CPEB3 ribozyme is a highly conserved mammalian self-cleaving catalytic RNA with unknown biological roles. In this study, we investigated how the intronic ribozyme affects the CPEB3 mRNA maturation and translation, and its subsequent effect on memory formation. Our findings show that the ribozyme activity is anti-correlated with CPEB3 mRNA splicing: inhibition of the ribozyme results in higher mRNA and protein levels, which contribute to long-term memory. Our studies offer new insights into the role of the CPEB3 ribozyme in neuronal translational control for the activity-dependent synaptic functions that underlie long-term memory and demonstrate a novel biological role for self-cleaving ribozymes.

Efficient delivery of therapeutic RNA is the fundamental obstacle preventing its clinical utility. Lipid conjugation improves plasma half-life, tissue accumulation, and cellular uptake of small interfering RNAs (siRNAs). However, the impact of conjugate structure and hydrophobicity on siRNA pharmacokinetics is unclear, impeding the design of clinically relevant lipid-siRNAs. Using a panel of biologically-occurring lipids, we show that lipid conjugation modulates siRNA hydrophobicity and governs spontaneous partitioning into distinct plasma lipoprotein classes in vivo. Lipoprotein binding influences siRNA distribution by delaying renal excretion and promoting uptake into lipoprotein receptor-enriched tissues. Lipid-siRNAs elicit mRNA silencing without causing toxicity in a tissue-specific manner. Lipid-siRNA internalization occurs independently of lipoprotein endocytosis, and is mediated by siRNA phosphorothioate modifications. Although biomimetic lipoprotein nanoparticles have been considered for the enhancement of siRNA delivery, our findings suggest that hydrophobic modifications can be leveraged to incorporate therapeutic siRNA into endogenous lipid transport pathways without the requirement for synthetic formulation.