超越雙螺旋！證實人體存在C-C配對的4鏈DNA，或與衰老、癌症有關

我們對人體的認知一直不停地被刷新。

如果沒有意外的話，我們的分子生物學教材可能又要修改了。

科學家對生理條件下人體的DNA結構又有了新的發現。之前認為不可能存在於人體內的、違反常識的DNA二級結構，澳大利亞Garvan醫學研究所的研究人員在人體內看到了[1]。這項研究成果刊登在了近期的《自然化學》上。

1953年，在歷經多年的努力之後，沃森和克里克提出DNA右手雙螺旋結構模型[2]，解開生命之秘，開啟了分子生物學時代。他們之所以能提出雙螺旋結構，是因為他們發現，在自然界中腺嘌呤（A）是與胸腺嘧啶（T）配對的，鳥嘌呤（G）是與胞嘧啶（C）配對的。正是這種穩定可靠的鹼基互補配對原則，讓雙螺旋結構有了根基。

不過，就在沃森和克里克領走諾獎沒多久，一些科學家在實驗室發現了不尋常的現象：在那些富含GC的DNA區域，本該互補配對的G和C，在特定的實驗條件下牽起了同類的「手」，變成了G和G配對，C和C配對。

這種違反鹼基互補配對原則的配對方式，讓DNA有了非比尋常的的結構。DNA單鏈上的G和G配對，就形成了G-四鏈體（G-quadruplex）[3，4]；C與C配對，則構成了i-motif[5，6]。

神奇的G-四鏈體（左：紅色的閑連接的是G）和i-motif（右：綠色的線連接的是C），二者結構相似

稍有分子生物學基礎的人，不難想到：根據DNA雙螺旋結構的鹼基互補配對原則，如果一條鏈能形成G-四鏈體，那麼只要條件合適，它對面的那條鏈理論上就可以形成i-motif。

不過一直以來科學家都是在細胞外且特定的實驗條件下才能發現它們。例如，形成穩定的G-四鏈體需要環境中有充足的鋰離子、鈉離子或者鉀離子[7]；而i-motif的形成需要一個偏酸性的環境；而且神奇的是，它能隨著環境酸鹼度的變化，快速形成和展開[8，9]。

那麼，它們這種隨周遭環境變化的能力有什麼用？人體會形成這種結構嗎？如果有，對人體有啥影響？

如果你拿著G-四鏈體和i-motif的DNA序列，與人基因組對比一遍，就不難發現，在人體基因組內至少有30萬個DNA片段可以形成G-四鏈體和i-motif序列[10]。

其中，40%基因的調控區含有能形成G-四鏈體和i-motif的DNA序列，巧的是，癌基因的啟動子區域尤甚[11]。科學家已經證實，在特定的條件下Rb[12]、RET[13]、VEGF[14]、c-Myc[15]和bcl-2[16]等癌基因的啟動子區域可以形成G-四鏈體和i-motif。

以癌基因bcl-2為例。有研究認為，如果bcl-2基因的啟動子里形成了G-四鏈體和i-motif，會阻斷抑制bcl-2基因表達的蛋白與bcl-2基因啟動子結合，這就促進了癌基因bcl-2的表達，導致癌症的形成或進展[17，18]。

此外，端粒DNA也有形成G-四鏈體和i-motif的能力[19]。

端粒中形成G-四鏈體和i-motif會阻礙端粒的延長，加速細胞衰老

不過一直以來，科學家缺少可以直接在細胞內檢測G-四鏈體和i-motif結構的手段。因此，雖然他們知道G-四鏈體和i-motif長啥樣，也知道人體有形成二者的DNA序列，就是沒辦法證實人體內確實存在。

畢竟在生理條件下，鹼基配對是要遵循鹼基互補配對原則的。達不到特定的條件，是不能形成G-四鏈體和i-motif的。

本次，澳大利亞Garvan醫學研究所的Marcel E. Dinger和Daniel Christ團隊找到了一個可以特異性結合i-motif的熒光抗體。有了這個抗體，研究人員就可以將細胞里的i-motif盡收眼底。

Marcel E. Dinger（左）和Daniel Christ（右）

有了這樣神器，研究人員發現，i-motif結構基本都分布在人體的細胞核里，無論是健康細胞還是細胞。通過分析一個與端粒長度有關基因的i-motif結構，研究人員在細胞內證實，i-motif結構缺失存在於基因表達的調節區域。

此外，他們還發現i-motifs大多形成於細胞「生命周期」的第一階段G1期，此時細胞代謝旺盛，開始合成細胞生長需要的各種蛋白質等物質。於此同時，他們發現在此期間，i-motif結構會不停的出現、消失。因此，研究人員認為，i-motif的極有可能通過形成和展開，控制基因的開和關。

在文章的前面已經介紹過，i-motif的形成和展開與周圍環境的酸鹼度變化有關。Dinger和Christ團隊也在人體細胞內證實了這個現象。

之前的研究表明，細胞內的酸鹼度變化與培養液的二氧化碳含量是負相關的，即培養基的二氧化碳含量越高，細胞內的pH越低，酸性越強。於是，研究人員希望通過改變二氧化碳濃度，研究i-motif的形成與展開。

研究人員將特定細胞株系放置在培養液二氧化碳濃度分別為2%（pH=7.98±0.1）、5%（pH=7.51±0.07）和8%（pH=7.28±0.08）的環境中培養。一段時間後觀察細胞核內的熒光位點數量，就可以知道環境酸鹼度對i-motif形成的影響。

不同二氧化碳濃度下細胞核中的i-motif結構數量比較

毫無意外，研究人員發現，與二氧化碳濃度為5%的培養液相比，二氧化碳濃度為2%的培養液培養出來的細胞，含i-motif的DNA位點少了20%左右；二氧化碳濃度為8%的培養液培養出來的細胞，含i-motif的DNA位點多了30%左右。

這意味著，細胞周圍環境的酸鹼度越低，i-motif結構越多。之前有研究表明，癌細胞內的pH值在7.2左右，癌細胞外的pH值在6.7-7.1之間[20]。所以，理論上癌細胞的DNA裡面有很多的i-motif結構。癌細胞內外的這種酸鹼環境，對i-motif結構有影響嗎？會進一步影響癌症的發展嗎？還需要更深入的研究證實。

癌細胞內外的pH值，與癌細胞行為之間的關係

總的來說，澳大利亞Garvan醫學研究所的研究團隊篩選到了一個特異性極強的抗體，首次在人體內看到了能夠快速響應酸鹼度變化的i-motif結構，也初步證明它分布於很多癌基因，以及端粒的調控區。暗示i-motif結構與癌症和衰老有一定的聯繫，而且這個聯繫可能與細胞周圍的酸鹼性動態變化有關。實際上，G-四鏈體已經在2013年就被劍橋大學證實在人體內存在[21]，目前科學家正在針對性的開展抗癌藥物研發工作。

毋庸置疑，這個研究讓我們對生命有了新的認知，也為疾病等的研究打開了一個新的方向。不過，這種結構對人體影響究竟如何，還需要更多的研究去探索。好在Dinger和Christ團隊已經給我們提供了一個還不錯的工具。

參考資料：

[1]. Mahdi Zeraati, David B. Langley, et al. I-motif DNA structures are formed in the nuclei of human cells.[J]. Nature Chemistry, 2018.

[2]. Watson J D, Crick F. Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid.[J]. Nature, 1953, 171(4356): 737-738.

[3]. Gellert M, Lipsett M N, Davies D R, et al. HELIX FORMATION BY GUANYLIC ACID[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1962, 48(12): 2013-2018.

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[20].Webb B A, Chimenti M S, Jacobson M P, et al. Dysregulated pH: a perfect storm for cancer progression.[J]. Nature Reviews Cancer, 2011, 11(9): 671-677.

[21].Biffi G, Tannahill D, Mccafferty J, et al. Quantitative visualization of DNA G-quadruplex structures in human cells[J]. Nature Chemistry, 2013, 5(3): 182-186.

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