颠覆双股螺旋！人类活体细胞首见四联体 DNA

当我们提到 DNA 的结构时，大多数的人会想到双股螺旋，因为 James Watson 和 Francis Crick 于 1953 年提出 DNA 的双股螺旋结构图，使得“双股螺旋”DNA 形状深深烙印在人类的脑中。然而，DNA 仍存在其他形式，Maurice Guéron 研究团队于 1993 年在活体外发现四联体（tetrameric）DNA 结构，称为嵌入模体（intercalated motif , i-motif）。

双股螺旋 DNA 其中连接两条主链的氢键分开而螺旋突然解开，假设其中一股充满胞嘧啶（cytosine, C），它将像绑好的鞋带一样向外循环，氢键形成在环内，使这些胞嘧啶彼此结合，最后形成 i-motif。亚利桑那大学（University of Arizona）医学化学家 Laurence Hurley 指出，i-motif 构成了一个支架，每个 CC 键与其对应的 CC 键形成直角（90 度）。

多年来， i-motif 是否存在人体内也成为科学家们争论的议题，因为 i-motif 喜欢酸性环境，所以一些科学家认为能在实验室中创造一种特定条件来产生 i-motif，但不会在体内自然发生，因此更认为它不可能存在于人体细胞中。

人类细胞确实存在 i-motif

4 月 23 日，由 Garvan 医学研究所研究团队刊登于《Nature Chemistry》期刊的一项新研究提供了第一个直接证据，证实 i-motif 确实存在人体细胞内，并且它在人体基因调控中，扮演相关重要的角色。

该研究团队 Marcel Dinger 主任表示，双股螺旋只允许胞嘧啶和鸟粪嘌呤（guanine, G）配对，i-motif 则是胞嘧啶能够彼此结合，这和双股螺旋结构非常不同。在此之前，DNA 能这样折叠仅是一种学术理念，但对于它的生物学意义仍不清楚。此外，看到 i-motif 出现在人类活细胞中是一件令人惊叹的事。

为了发现 i-motif，Dinger 主任和其研究团队设计了一种特殊抗体，它能针对体内外来入侵者的蛋白质，进而专一地寻找并锁定到 i-motif 上。接着，他们利用萤光染料来标记这些抗体，然后将它们注入实验室的人类细胞，然后使用强大的显微镜观察发现了一束微小且发光的绿色点状彩色抗体，最后它们抓住难以捉摸的 i-motif。

Dinger 主任指出，本研究最困难的部分是证明抗体仅锁定在 i-motif 上，而不锁定在其他结构的 DNA 上。他们借由测试抗体如何与其他形式的 DNA 交互作用来做到这一点，如 G4 四联体。然后也发现该抗体不与任何其他形式结合，进而证实它具专一性。

一位艺术家对细胞内 i-motif DNA结构和其检测工具的印象。插画作者：Chris Hammang

i-motif 与基因以及老化调控有关

该研究团队 Mahdi Zeraati 博士也表示，最令他们激动的是，能看到绿色萤光闪烁著，时而出现，时而消失，使得他们知道 i-motif 正在形成，然后溶解并再次形成。研究团队也解释，当 DNA 刚开始积极转录成 mRNA，然后 mRNA 开始转译成蛋白质的时期，DNA 会以更高的速率折叠成 i-motif。之后，DNA 展开回到其通常的形式，并且 i-motif 消失。

该研究团队更进一步发现，i-motif 大多形成于细胞周期的 G1 期，即 DNA 正在被读取的时期，i-motif 也出现在一些调控基因开关的启动子（promoter）区域和老化调控相关的染色体端粒（telomere）中。

尽管现在知道 i-motif 可能出现的区域，但研究团队仍不知道 i-motif 控制哪些基因，或者当干扰细胞时会发生什么，以至于无法形成这些结构。因此下一阶段的研究将致力于精准确定基因体的哪些部分，能形成 i-motif 以及找出其在健康和疾病中扮演的角色。

延伸阅读：生理时钟调控染色体结构谱出基因的韵律

文/ Parker Yang

参考资料：
1. Nature. 1993 Jun 10;363(6429):561-5.
2. Nature Chemistry. 2018; DOI：10.1038 / s41557-018-0046-3
3. https://www.livescience.com/62381-new-form-dna-human-cells-i-motif.html
4. https://www.popsci.com/new-dna-shape#page-3

首图来源：
Nature Chemistry. 2018; DOI：10.1038 / s41557-018-0046-3
文中图来源：
https://www.sciencedaily.com/releases/2018/04/180423135054.htm