The hexanucleotide expansion GGGGCC located in C9orf72 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 G4C2 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.

中文翻译：

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与 ALS 和 FTLD 相关的有义和反义 RNA 六核苷酸重复序列的结构多样性

位于 C9orf72 基因中的六核苷酸扩增 GGGGCC 代表了肌萎缩侧索硬化 (ALS) 和额颞叶痴呆 (FTLD) 的最常见遗传原因。由于发现涉及 ALS 和 FTLD 的扩展六核苷酸 G4C2 重复的非排他性机制之一是 RNA 毒性，这涉及病理有义和反义 RNA 转录物的积累。形成的 RNA 病灶隔离 RNA 结合蛋白，导致它们的错误定位，从而降低它们的生物学功能。因此，病理性 RNA 转录物采用的结构可能在 ALS 和 FTLD 的发病机制中起关键作用。利用核磁共振波谱和互补方法，我们检查了具有四个六核苷酸重复序列的富含鸟嘌呤的正义和富含胞嘧啶的反义 RNA 寡核苷酸所采用的结构。虽然两种寡核苷酸都倾向于形成二聚体和发夹，但这些结构的平衡不同，反义寡核苷酸对 pH 值的变化更敏感，而有义寡核苷酸对温度的变化更敏感。在 K+ 离子存在下，富含鸟嘌呤的正义 RNA 寡核苷酸也采用称为 G-四链体的二级结构。在这里，我们还首次观察到反义 RNA 寡核苷酸在特定条件下形成 i-motifs。此外，有义和反义 RNA 寡核苷酸的同时存在促进了异源二聚体的形成。对有义和反义 RNA 转录物结构多样性的研究不仅进一步描述了神经退行性疾病的复杂性，而且揭示了治疗 ALS 和 FTLD 的药物设计的潜在靶点。这些结构的平衡不同，反义寡核苷酸对 pH 值的变化更敏感，而有义寡核苷酸对温度的变化更敏感。在 K+ 离子存在下，富含鸟嘌呤的正义 RNA 寡核苷酸也采用称为 G-四链体的二级结构。在这里，我们还首次观察到反义 RNA 寡核苷酸在特定条件下形成 i-motifs。此外，有义和反义 RNA 寡核苷酸的同时存在促进了异源二聚体的形成。对有义和反义 RNA 转录物结构多样性的研究不仅进一步描述了神经退行性疾病的复杂性，而且揭示了治疗 ALS 和 FTLD 的药物设计的潜在靶点。这些结构的平衡不同，反义寡核苷酸对 pH 值的变化更敏感，而有义寡核苷酸对温度的变化更敏感。在 K+ 离子存在下，富含鸟嘌呤的正义 RNA 寡核苷酸也采用称为 G-四链体的二级结构。在这里，我们还首次观察到反义 RNA 寡核苷酸在特定条件下形成 i-motifs。此外，有义和反义 RNA 寡核苷酸的同时存在促进了异源二聚体的形成。对有义和反义 RNA 转录物结构多样性的研究不仅进一步描述了神经退行性疾病的复杂性，而且揭示了治疗 ALS 和 FTLD 的药物设计的潜在靶点。