Biologische Bedeutung und Aufbau

Alle Basen in einer doppelsträngigen DNA-Helix liegen als Watson-Crick Basenpaare vor. Dabei existieren in der Regel zwei Wasserstoffbrücken zwischen A:T (DNA) Basenpaaren und drei Wasserstoffbrücken zwischen G:C Basenpaaren. Neben diesen "kanonischen" Basenpaarungen gibt es jedoch auch so genannte "nicht-kanonische" Paarungsformen. Zu letzteren gehören beispielsweise die sehr selten anzutreffenden G:G und A:A Basenpaare. Zwei verschiedene Paarungsarten können dabei unterschieden werden: zum einen Hoogsteen- und zum anderen "shallow groove"-Paarungen. Die bisher untersuchten Überstrukturen werden fast ausschließlich durch Hoogsteen Wasserstoffbrücken stabilisiert. Auch die bekannteste Überstruktur, die Tripelhelix, ist auf Hoogsteen Basenpaarungen zurückzuführen. Innerhalb einer Tripelhelix bilden Polypurine in Verbindung mit zwei Polypyrimidinen Basentripel aus, bei denen je ein Basenpaar auf der Hoogsteen und eines auf der Watson-Crick Seite vorhanden ist.

Überstrukturen spielen als zelluläre Effektormotive eine wichtige Rolle. Bei Eukaryoten finden sich solche Motive beispielsweise an den Enden der linearen Chromosomen. Diese auch als Telomere bezeichneten Motive stellen schützende Überstrukturen aus repetitiven Sequenzmotiven dar. Im Zentrum stehen dabei so genannte G-Quadruplexe (auch als G-Quartett bzw. G-Tetrade bezeichnet). Die Existenz solcher planaren Strukturen wurde bereits Anfang der 60er Jahre postuliert. Ihre Stabilisierung erfolgt durch eine Kombination von Hoogsteen und Watson-Crick Baasenpaaren, ähnlich wie sie auch in d(CpGpCp)-Tripletts gefunden werden. Jede einzelne Base bildet dabei Wasserstoffbrücken zu den benachbarten beiden Basen aus. Der innere Raumbereich eines jeden G-Quadruplexes bildet eine Kavität, die auch in der Lage ist, bestimmte Kationen über die vier O-Atome eines jeden Guanosins zu komplexieren. Kationen nehmen bei der Stabilisierung von G-Quartetten eine entscheidende Funktion ein. Stabilisierend wirken hierbei vor allem Kaliumionen, wohingegen Lithiumionen als starke Strukturbrecher fungieren. 

Auf Grund zahlreicher Untersuchungen wird davon ausgegangen, dass die reversible Bildung von Überstrukturen auch als eine Art molekularer Schalter in der Zelle fungieren kann. Wie von verschiedenen Arbeitsgruppen gezeigt werden konnte, begünstigen spezielle Proteine, wie die Topoisomerase I und Rap1, den Übergang von doppelsträngiger, helikaler DNA in G-Quadruplex Strukturen. Bestimmte Helikasen wiederum, wie die in Hefen vorkommende Sgs1 Helikase, sind in der Lage, die G-Quadruplex Strukturen zu erkennen und sehr wirksam zu entfalten.

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