胞嘧啶「移情別戀」？顛覆認知的「曲別針」DNA結構得到證實！

Rosalind Franklin、Francis Crick和James Watson

1953年，在Rosalind Franklin的指導下，James Watson和Francis Crick發現了DNA的雙螺旋結構，這一發現開啟了現代分子生物學的大門，由此我們知道DNA深藏於我們體內的細胞深處，60億個鳥嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）精確地「指導」著我們身體的構建和運作方式，科學家也通過這一發現開始解開遺傳密碼的許多謎團。

其實在實驗室中，科學家已經鑒定了許多非雙螺旋形式的DNA結構，包括A-DNA，Z-DNA和十字形DNA，儘管這些結構也有可能存在於活的人類細胞中，但均仍未得到證實。雖然2013年，一種被稱為G-quadruplex DNA的DNA結構在人類細胞中被拍攝到，但該結構功能仍在探索之中，所以到目前為止，只有雙螺旋結構是公眾默認的DNA結構類型。

藝術家對細胞內i-motif DNA結構的印象，以及用於檢測它的抗體工具。圖片來源：Chris Hammang

然而，一項最新研究顛覆了65年來的人們對DNA結構的廣泛認知，來自澳大利亞Garvan醫學研究所的研究人員發現雙螺旋並不是DNA唯一的存在形式，他們檢測到了一種新的DNA結構，科學家將它稱為「i-motif」，它是一個扭曲的四鏈結構（似乎更像一個曲別針），並且可能在DNA的表達中起著至關重要的作用。這一發現完全顛覆了我們從高中就開始學習的DNA雙螺旋結構的知識點，為帶有標誌性的DNA雙螺旋研究帶來極大的震撼。該研究結果已在新發表於Nature Chemistry期刊上，題為「I-motif DNA structures are formed in the nuclei of human cells」。

其實早在20世紀90年代，科學家就在實驗室中觀察到，DNA會以一種纏結的方式存在，但一直以來，人們發現這種形式似乎只在酸性條件下才出現，類似的結構也從未在試管外的活細胞中被檢測到。為弄清楚這種DNA結構的存在特性與作用，在最新研究中，澳大利亞Garvan醫學研究所的研究人員開發了一種具有高選擇性和親和力的抗體片段，能夠識別鑒定基因組中的i-motif結構，並進行免疫熒游標記，幫助人們了解這些DNA四鏈結構發生的頻率和位置。在試驗過程中，研究人員已證實該抗體片段不會識別雙螺旋形式的DNA或者G-四聯體結構。

i-motif 結構抗體片段特異性識別，圖片來源：

Nature Chemistry

文章的第一作者Mahdi Zeraati博士談到，最令我們興奮的是，我們可以在研究中真實的觀察到這些i-motif結構，由於抗體識別形成的綠色熒光斑點會隨著時間的推移而出現、消失，由此我們知道它們正在形成、溶解。

該研究中，研究小組發現i-motif結構僅存在於基因組相對較小的區域中，看起來就像DNA雙螺旋結構中的一個結。顛覆我們認知的是，在i-motif結構中，兩條DNA單鏈的胞嘧啶（C）是與胞嘧啶（C）結合，而不是通常認知的鳥嘌呤（G），在同一條DNA鏈上的胞嘧啶（C）也會彼此結合，胞嘧啶居然移情別戀······

「曲別針」DNA結構渲染圖，圖片來源：

Nature Chemistry

此外，試驗中研究人員不僅在活的人體細胞中檢測到了i-motif結構，也證實該DNA結構普遍存在於活細胞中。在雙螺旋結構中，腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T）形成鹼基對，胞嘧啶（C）與鳥嘌呤（G）形成鹼基對，鹼基對堆疊在一起，通過兩股繞在它們周圍的磷酸糖骨架形成雙螺旋結構，並且該結構在蛋白質合成中起到重要作用。研究人員認為，既然i-motif結構存在於活細胞中，這也許表明該結構在細胞生物學中可能起重要作用。

研究團隊還發現，該結構還可以進行展開和摺疊，並依賴於細胞周期和周圍環境的酸度，並證實i-motif結構大多形成於細胞生命周期中一個特定階段——G1晚期，這是DNA被「讀取」得到階段。而且i-motif結構通常形成於基因組中富含胞嘧啶的區域，包括啟動子和端粒區域，證明其可能是某種基因的開關，具有關鍵的調控功能。

Zeraati 博士認為，i-motif結構的形成和消失可以成為細胞周期研究的關鍵，似乎它們的存在是為了幫助細胞打開或者關閉某些基因，最終影響該基因是否被主動讀取。

Garvan醫學研究所的Daniel Christ教授與Marcel Dinger教授共同領導了這項研究。Daniel Christ教授表示，當我們大多數人想到DNA時，腦中浮現的就是雙螺旋結構，這項新研究則提醒我們細胞中還存在完全不同的DNA結構，這對我們的細胞研究很重要。同時，i-motif結構的短暫性也解釋了為什麼此前我們很難在細胞中追蹤它們。

Marcel Dinger教授表示，能夠發現細胞中一種全新的DNA結構是非常令人興奮的，該發現為推動深入了解新DNA結構的真正意義以及是否會影響DNA的形成奠定了基礎，對發現新的DNA結構和功能提供技術支持，也為健康和疾病研究研究工作奠定理論基礎。

同時研究人員也表示，也可能這些DNA結構根本不重要，但這一新結構的發現與證實清楚地表明，不同DNA結構可能在基因讀取和表達中扮演著重要的角色，我們的DNA還有更多謎團等待我們去解開。

參考文獻：

1.Forget the Double Helix—Scientists Discovered a New DNA Structure Inside Human Cells

2.I-motif DNA structures are formed in the nuclei of human cells

3.Found: A new form of DNA in our cells

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