学科前沿|南京大学化学化工学院鞠熀先、Jean-Louis Mergny和周俊团队在四链核酸领域取得系列研究进展
DNA作为遗传物质，除了典型右手双螺旋结构外，还可以形成多种非典型结构，如G-四链体和i-DNA就是两种代表性的特殊四链核酸结构。其中，i-DNA是一种富含胞嘧啶序列形成的四链结构，具有维持端粒长度、调控转录和翻译等重要生理功能，它的稳定性和三维折叠结构严重依赖于环境，如酸碱度、温度、离子强度和分子拥挤程度等（图1）。
为解决测量环境多样性导致的不同i-DNA稳定性数据难以相互比较甚至相互矛盾的问题，生命分析化学国家重点实验室鞠熀先、Jean-Louis Mergny和周俊研究团队发展了一种基于紫外光谱的简易分析方法—四维紫外熔解退火法（Four-Dimensional UV Melting and Annealing, 4DUVMA），可通过获得的复杂环境条件下i-DNA的形成图（图2）读取任意环境组合条件下的i-DNA的形成含量。该团队首次发现53E构象相较于35E具有更高的热稳定性和酸碱稳定性（图1C和图2），并通过测量20条模型序列的形成图，建立了完整的实验方法。该团队进一步将该方法拓展应用于多条天然癌症基因启动子区域的i-DNA序列，实现了在任意环境条件下对这些天然序列形成含量的读取。因而，建立的4DUVMA方法有望成为i-DNA研究领域一个通用的标准实验方法，有助于建立i-DNA复杂测量环境条件下稳定性的标准数据库。
图1. i-DNA结构示意图。（A）i-DNA结构基础单元半质子化胞嘧啶与胞嘧啶碱基对（C·C+）的结合和解离，（B）偶数C·C+碱基对序列形成的5'E和3'E混合构象，（C）奇数C·C+碱基对序列分别形成的53E和35E构象。
图2. i-DNA的形成图。
该工作以“Drivers of i‑DNA Formation in a Variety of Environments Revealed by Four-Dimensional UV Melting and Annealing”为题，近期在《Journal of the American Chemical Society》（https://doi.org/10.1021/jacs.1c02209）发表，程明攀博士后为该论文第一作者。
有意思的是，与i-DNA互补的富含鸟嘌呤序列可形成另一种四链核酸—G-四链体（G4）。G4具有极其丰富的结构多样性（平行、杂合和反平行等），这是其实现基因表达调节、DNA复制启动以及遗传稳定性等生命功能的基础。当前，G4的体外研究工作主要集中在截短的DNA或RNA核心序列。然而，基因组中的G4结构并不是孤立存在的，其核心区域附近存在各种邻近序列，甚至其对面是可以与之互补配对的富C序列。在G4的应用中，往往需要在富G序列两端进行修饰，例如光镊、磁镊、原子力显微镜等单分子技术中的间隔序列。因此，一些基本的科学问题，如邻近末端序列对G4结构的影响机制、参与G4结构和功能的调控机制等，尚不清楚。
为了揭示这些科学问题，鞠熀先、Jean-Louis Mergny和周俊研究团队对371条富G序列开展研究，系统地考察了末端碱基对G4结构的影响。通过圆二色光谱考察G4结构在末端碱基添加后的变化，发现末端碱基的存在会使大部分的序列往平行结构转变。此现象被定义为“末端效应”，具有一定的序列和金属离子普适性：K+离子存在时，81.3%的序列符合“末端效应”；而Na+离子存在时，符合“末端效应”的序列达到92.3%。有意思的是，在碱基组成相同的一组序列中，末端碱基的存在促使富G序列形成结构和热稳定性更为接近的结构，也就是平行度更高的G4结构 （图3）。而且，“末端效应”具有末端选择性：5'-端碱基的添加更能使结构发生平行化，表明G4折叠过程中存在5'-3'不对称，其“末端效应”取决于loop的排列情况。
图3. 末端碱基存在时G4构象往平行度更高的结构转变。
该团队进一步发现5'-“末端效应”具有长度依赖性，且第一个碱基是“末端效应”的主要原因。5'-末端G碱基在磷酸根不存在时，会与自身的羟基基团形成氢键，使结构倾向于形成非平行结构；而末端碱基的存在，破坏了该氢键的形成，使折叠过程倾向于形成平行度更高的结构（图4）。
另外，富G序列不应被视为“孤岛”，必须考虑loop、末端碱基（或者凸起）与G-平面之间的相互作用。
图4. 二维核磁共振技术确认“末端效应”。
该工作最近以“The Beginning and the End: Flanking Nucleotides Induce a Parallel G-quadruplex Topology”为题，在生物领域权威期刊《Nucleic Acids Research》（IF：16.971）（https://doi.org/10.1093/nar/gkab681）发表，2015级直博生陈杰林（2020年毕业）为论文第一作者，鞠熀先、Jean-Louis Mergny和周俊为该工作的共同通讯作者。
这些工作得到国家自然科学基金、南京大学、中央高校业务经费和生命分析化学国家重点实验室的经费支持。
信息来源：南京大学
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