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CRISPR-Cas9 Targeting of G-Quadruplex DNA in ADH1 promoter Highlights its role in Transcriptome and Metabolome Regulation

清脆的 转录组 代谢组 计算生物学 Cas9 生物 遗传学 DNA G-四倍体 基因 生物信息学 代谢组学 基因表达
作者
Ikenna Obi,Pallabi Sengupta,Nasim Sabouri
标识
DOI:10.1101/2025.03.14.643214
摘要

G-quadruplex (G4) structures are critical regulators of gene expression, yet the role of an individual G4 within its native chromatin remains underexplored. Here, we used CRISPR-Cas9 to introduce guanine-to-thymine mutations at a G4-forming motif within the adh1+ promoter in yeast, creating two mutant strains: one with G4-only mutations and another with both G4 and TATA-box mutations. Chromatin immunoprecipitation using BG4 antibody confirmed reduced G4 enrichment in both mutants, validating G4 structure formation in the wild-type chromatin. Detailed characterizations demonstrated that the G4 mutations alter its dynamics without fully preventing its formation. These mutations significantly reduce adh1 transcript levels, with G4 TATA-box mutant causing the strongest transcriptional suppression. This indicates a positive regulatory role for the Adh1 G4 structure in adh1+ gene expression. Furthermore, both mutants displayed altered transcriptomic profiles, particularly impacting the oxidoreductase pathway. Metabolomic analyses by mass spectrometry further highlighted substantial disruptions in NAD+/NADH metabolism, a key energy reservoir for metabolic regulation. Together, our findings illustrate how deregulation of a single G4 structure influences transcriptome regulation, with implications for metabolic diseases. It also highlights the therapeutic potential of G4 modulation as a novel, controlled approach to reprogram cellular metabolism to achieve targeted phenotypic shifts.

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