The nuclease hypersensitivity element III 1 upstream of the P1 promoter of c- MYC controls 85–90% of the transcriptional activation of this gene. We have demonstrated that the purine-rich strand of the DNA in this region can form two different intramolecular G-quadruplex structures, only one of which seems to be biologically relevant. This biologically relevant structure is the kinetically favored chair-form G-quadruplex, which is destabilized when mutated with a single G → A transition, resulting in a 3-fold increase in basal transcriptional activity of the c- MYC promoter. The cationic porphyrin TMPyP4, which has been shown to stabilize this G-quadruplex structure, is able to suppress further c- MYC transcriptional activation. These results provide compelling evidence that a specific G-quadruplex structure formed in the c- MYC promoter region functions as a transcriptional repressor element. Furthermore, we establish the principle that c- MYC transcription can be controlled by ligand-mediated G-quadruplex stabilization.

ADVERTISEMENT RETURN TO ISSUEPREVLetterNEXTInhibition of Human Telomerase by a G-Quadruplex-Interactive CompoundDaekyu Sun, Brian Thompson, Brian E. Cathers, Miguel Salazar, Sean M. Kerwin, John O. Trent, Terence C. Jenkins, Stephen Neidle, and Laurence H. HurleyView Author Information Institute for Drug Development, 14960 Omicron Drive, San Antonio, Texas 78245-3217, College of Pharmacy, The University of Texas at Austin, Austin, Texas 78712-1074, and CRC Biomolecular Structure Unit, The Institute of Cancer Research, Cotswold Road, Sutton, Surrey SM2 5NG, United Kingdom Cite this: J. Med. Chem. 1997, 40, 14, 2113–2116Publication Date (Web):July 4, 1997Publication History Received25 March 1997Published online4 July 1997Published inissue 1 July 1997https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jm970199zhttps://doi.org/10.1021/jm970199zrapid-communicationACS PublicationsCopyright © 1997 American Chemical SocietyRequest reuse permissionsArticle Views5835Altmetric-Citations687LEARN ABOUT THESE METRICSArticle Views are the COUNTER-compliant sum of full text article downloads since November 2008 (both PDF and HTML) across all institutions and individuals. These metrics are regularly updated to reflect usage leading up to the last few days.Citations are the number of other articles citing this article, calculated by Crossref and updated daily. Find more information about Crossref citation counts.The Altmetric Attention Score is a quantitative measure of the attention that a research article has received online. Clicking on the donut icon will load a page at altmetric.com with additional details about the score and the social media presence for the given article. Find more information on the Altmetric Attention Score and how the score is calculated. Share Add toView InAdd Full Text with ReferenceAdd Description ExportRISCitationCitation and abstractCitation and referencesMore Options Share onFacebookTwitterWechatLinked InRedditEmail Other access optionsGet e-AlertscloseSupporting Info (1)»Supporting Information Supporting Information SUBJECTS:Chemical structure,G-Quadruplex,Genetics,Inhibition,Peptides and proteins Get e-Alerts

Telomestatin is a natural product isolated from Streptomyces anulatus 3533-SV4 and has been shown to be a very potent telomerase inhibitor. The structural similarity between telomestatin and a G-tetrad suggested to us that the telomerase inhibition might be due to its ability either to facilitate the formation of or trap out preformed G-quadruplex structures, and thereby sequester single-stranded d[T2AG3]n primer molecules required for telomerase activity. Significantly, telomestatin appears to be a more potent inhibitor of telomerase (5 nM) than any of the previously described G-quadruplex-interactive molecules. In this communication we provide the first experimental evidence that telomestatin selectively facilitates the formation of or stabilizes intramolecular G-quadruplexes, in particular, that produced from the human telomeric sequence d[T2AG3]4. A simulated annealing (SA) docking approach was used to study the binding interactions of telomestatin with the intramolecular antiparallel G-quadruplex structure. Each intramolecular G-quadruplex molecule was found to bind two telomestatin molecules (unpublished results). A 2:1 model for the telomestatin bound in the external stacking mode in an energy minimized complex with the human telomeric basket-type G-quadruplex was constructed. Our observation that a G-quadruplex-interactive molecule without significant groove interactions is able to reorient in a G-quadruplex structure proints to the importance of core interaction with an asymmetric G-quadruplex structure in producing selective binding. Furthermore, the G-quadruplex interactions of telomestatin are more selective for the intramolecular structure in contrast to other G-quadruplex-interactive agents, such as TMPyP4.

ADVERTISEMENT RETURN TO ISSUEPREVCommunicationNEXTCationic Porphyrins as Telomerase Inhibitors: the Interaction of Tetra-(N-methyl-4-pyridyl)porphine with Quadruplex DNARichard T. Wheelhouse, Daekyu Sun, Haiyong Han, Frank Xiaoguang Han, and Laurence H. HurleyView Author Information Drug Dynamics Institute, College of Pharmacy The University of Texas at Austin, Austin, Texas 78712 Institute for Drug Development, 14960 Omicron Drive San Antonio, Texas 78245 Cite this: J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 13, 3261–3262Publication Date (Web):March 20, 1998Publication History Received4 November 1997Published online20 March 1998Published inissue 1 April 1998https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja973792ehttps://doi.org/10.1021/ja973792erapid-communicationACS PublicationsCopyright © 1998 American Chemical SocietyRequest reuse permissionsArticle Views2750Altmetric-Citations370LEARN ABOUT THESE METRICSArticle Views are the COUNTER-compliant sum of full text article downloads since November 2008 (both PDF and HTML) across all institutions and individuals. These metrics are regularly updated to reflect usage leading up to the last few days.Citations are the number of other articles citing this article, calculated by Crossref and updated daily. Find more information about Crossref citation counts.The Altmetric Attention Score is a quantitative measure of the attention that a research article has received online. Clicking on the donut icon will load a page at altmetric.com with additional details about the score and the social media presence for the given article. Find more information on the Altmetric Attention Score and how the score is calculated. Share Add toView InAdd Full Text with ReferenceAdd Description ExportRISCitationCitation and abstractCitation and referencesMore Options Share onFacebookTwitterWechatLinked InRedditEmail Other access optionsGet e-AlertscloseSupporting Info (1)»Supporting Information Supporting Information SUBJECTS:Chemical structure,Crystal cleavage,Genetics,Peptides and proteins,Pyrroles Get e-Alerts

The proximal promoter region of the human vascular endothelial growth factor (VEGF) gene contains a polypurine/polypyrimidine tract that serves as a multiple binding site for Sp1 and Egr-1 transcription factors. This tract contains a guanine-rich sequence consisting of four runs of three or more contiguous guanines separated by one or more bases, corresponding to a general motif for the formation of an intramolecular G-quadruplex. In this study, we observed the progressive unwinding of the oligomer duplex DNA containing this region into single-stranded forms in the presence of KCl and the G-quadruplex-interactive agents TMPyP4 and telomestatin, suggesting the dynamic nature of this tract under conditions which favor the formation of the G-quadruplex structures. Subsequent footprinting studies with DNase I and S1 nucleases using a supercoiled plasmid DNA containing the human VEGF promoter region also revealed a long protected region, including the guanine-rich sequences, in the presence of KCl and telomestatin. Significantly, a striking hypersensitivity to both nucleases was observed at the 3'-side residue of the predicted G-quadruplex-forming region in the presence of KCl and telomestatin, indicating altered conformation of the human VEGF proximal promoter region surrounding the guanine-rich sequence. In contrast, when specific point mutations were introduced into specific guanine residues within the G-quadruplex-forming region (Sp1 binding sites) to abolish G-quadruplex-forming ability, the reactivity of both nucleases toward the mutated human VEGF proximal promoter region was almost identical, even in the presence of telomestatin with KCl. This comparison of wild-type and mutant sequences strongly suggests that the formation of highly organized secondary structures such as G-quadruplexes within the G-rich region of the human VEGF promoter region is responsible for observed changes in the reactivity of both nucleases within the polypurine/polypyrimidine tract of the human VEGF gene. The formation of the G-quadruplex structures from this G-rich sequence in the human VEGF promoter is further confirmed by the CD experiments. Collectively, our results provide strong evidence that specific G-quadruplex structures can naturally be formed by the G-rich sequence within the polypurine/polypyrimidine tract of the human VEGF promoter region, raising the possibility that the transcriptional control of the VEGF gene can be modulated by G-quadruplex-interactive agents.

The nuclease hypersensitivity element III1 (NHE III1) upstream of the P1 and P2 promoters of c-MYC controls 80-90% of the transcriptional activity of this gene. The purine-rich strand in this region can form a G-quadruplex structure that is a critical part of the silencer element for this promoter. We have demonstrated that this G-quadruplex structure can form a mixture of four biologically relevant parallel-loop isomers, which upon interaction with the cationic porphyrin TMPyP4 are converted to mixed parallel/antiparallel G-quadruplex structures.

The human bcl-2 gene contains a GC-rich region upstream of the P1 promoter that has been shown to be critically involved in the regulation of bcl-2 gene expression. We have demonstrated that the guanine-rich strand of the DNA in this region can form any one of three distinct intramolecular G-quadruplex structures. Mutation and deletion analysis permitted isolation and identification of three overlapping DNA sequences within this element that formed the three individual G-quadruplexes. Each of these was characterized using nondenaturing gel analysis, DMS footprinting, and circular dichroism. The central G-quadruplex, which is the most stable, forms a mixed parallel/antiparallel structure consisting of three tetrads connected by loops of one, seven, and three bases. Three different G-quadruplex-interactive agents were found to further stabilize these structures, with individual selectivity toward one or more of these G-quadruplexes. Collectively, these results suggest that the multiple G-quadruplexes identified in the promoter region of the bcl-2 gene are likely to play a similar role to the G-quadruplexes in the c-myc promoter in that their formation could serve to modulate gene transcription. Last, we demonstrate that the complexity of the G-quadruplexes in the bcl-2 promoter extends beyond the ability to form any one of three separate G-quadruplexes to each having the capacity to form either three or six different loop isomers. These results are discussed in relation to the biological significance of this G-quadruplex-forming element in modulation of bcl-2 gene expression and the inherent complexity of the system where different G-quadruplexes and loop isomers are possible.

The importance of DNA supercoiling in transcriptional regulation has been known for many years, and more recently, transcription itself has been shown to be a source of this superhelicity. To mimic the effect of transcriptionally induced negative superhelicity, the G-quadruplex/i-motif-forming region in the c-Myc promoter was incorporated into a supercoiled plasmid. We show, using enzymatic and chemical footprinting, that negative superhelicity facilitates the formation of secondary DNA structures under physiological conditions. Significantly, these structures are not the same as those formed in single-stranded DNA templates. Together with the recently demonstrated role of transcriptionally induced superhelicity in maintaining a mechanosensor mechanism for controlling the firing rate of the c-Myc promoter, we provide a more complete picture of how c-Myc transcription is likely controlled. Last, these physiologically relevant G-quadruplex and i-motif structures, along with the mechanosensor mechanism for control of gene expression, are proposed as novel mechanisms for small molecule targeting of transcriptional control of c-Myc.

BCL2 protein functions as an inhibitor of cell apoptosis and has been found to be aberrantly expressed in a wide range of human diseases. A highly GC-rich region upstream of the P1 promoter plays an important role in the transcriptional regulation of BCL2. Here we report the NMR solution structure of the major intramolecular G-quadruplex formed on the G-rich strand of this region in K+ solution. This well-defined mixed parallel/antiparallel-stranded G-quadruplex structure contains three G-tetrads of mixed G-arrangements, which are connected with two lateral loops and one side loop, and four grooves of different widths. The three loops interact with the core G-tetrads in a specific way that defines and stabilizes the overall G-quadruplex structure. The loop conformations are in accord with the experimental mutation and footprinting data. The first 3-nt loop adopts a lateral loop conformation and appears to determine the overall folding of the BCL2 G-quadruplex. The third 1-nt double-chain-reversal loop defines another example of a stable parallel-stranded structural motif using the G3NG3 sequence. Significantly, the distinct major BCL2 promoter G-quadruplex structure suggests that it can be specifically involved in gene modulation and can be an attractive target for pathway-specific drug design.

Unimolecular parallel-stranded G-quadruplex structures are found to be prevalent in gene promoters. The nuclease hypersensitivity element III(1) (NHE III(1)) of the c-MYC promoter can form transcriptionally active and silenced forms, and the formation of DNA G-quadruplex structures has been shown to be critical for c-MYC transcriptional silencing. The solution structure of a 2:1 quindoline-G-quadruplex complex has been solved and shows unexpected features, including the drug-induced reorientation of the flanking sequences to form a new binding pocket. While both 3' and 5' complexes show overall similar features, there are identifiable differences that emphasize the importance of both stacking and electronic interactions. For the first time, we describe the importance of the shape of the ligand as well as the two flanking bases in determining drug binding specificity. These structures provide important insights for the structure-based rational design of drugs that bind to unimolecular parallel G-quadruplexes commonly found in promoter elements.