1953年DNA双螺旋结构的发现标志着现代分子生物学新纪元的开始。生物细胞内DNA通常以腺嘌呤(A)与胸腺嘧啶(T)和鸟嘌呤(G)与胞嘧啶(C) 碱基配对的双螺旋形式而存在并发挥功能。近年来越来越多研究发现, DNA分子上多个G的连续重复出现，可形成G-四链体（G4）高级结构；多个C的连续重复出现，可形成i-motif高级结构，这些“非正常”碱基配对所形成的“非双螺旋”二级结构可能参与了基因转录、端粒寿命、DNA复制及蛋白翻译等重要细胞功能的调控。

生科院冯启理教授团队于2018年和2019年首次发现家蚕转录因子BmPOUM2基因的启动子存在G4和i-motif结构，并鉴定出分别与这些结构结合的调控蛋白BmLARK和BmILF, 分析了高级结构对基因转录调控功能（Niu et al., 2018，Nucleic Acids Research,; Niu et al., 2019，Nucleic Acids Research）。2020年3月该研究团队通过免疫荧光染色的方法进一步在家蚕精巢组织和中国仓鼠细胞等无脊椎和脊椎动物的活体细胞基因组DNA中证实了G4和i-motif高级结构的存在（Niu et al., Nucleic Acids Research, 2019；Tang and Niu et al., Epigenetics and Chromatin, 2020），并且发现这些结构的形成受到细胞pH值和细胞周期等因素的影响。

2020年6月该研究团队进一步鉴定出G4结合蛋白BmLARK与G4结构结合的关键结构域和关键氨基酸 （Peng et al., 2020, Insect Science）。 研究发现，BmLARK的两个RNA识别区域（RRM1和RRM2）的同时存在是该结合蛋白能够与G4高级结构结合所必需的，同时， RRM1结构域的氨基酸F10和F89和RRM2结构域的氨基酸F44和F123是BmLARK与G4结合的关键氨基酸。

2021年1月22日，国际学术刊物Communications Biology在线发表了该研究团队题为Genome-wide analysis of DNA G-quadruplex motifs across 37 species provides insights into G4 evolution （37个生物物种全基因组G4序列分析揭示G4结构的演化）的最新研究成果。该研究对生物进化关键节点上的37个物种（包括酵母、疟原虫、草履虫、盘基网柄菌、曼氏血吸虫、扁形虫、细粒棘球虫、海葵、珊瑚、水蛭、线虫、圆线虫、丝虫、青螺、双斑鞘、牡蛎、海蠕虫、加利福尼亚、意大利蜂、家蚕、帝王蝶、果蝇、海胆、矛尾鱼、文昌鱼、斑马鱼、热带爪蟾、高山倭蛙、蜥蜴、中华鳖、红原鸡、地山雀、鸵鸟、鸭嘴兽、绵羊和人）的全基因组进行了DNA 高级结构的序列分析和部分物种的染色体免疫组化分析，结果发现，DNA G4结构普遍存在于这些物种的基因组中，从低等的单细胞生物到高等哺乳动物和人的基因组中都存在G4结构， 并随着物种从低等到高等的演化，G4结构的数量、频率和密度以及含有G４结构的基因数目均呈现逐渐增加的趋势，并且在高等生物中G4结构更加密集地出现在基因的调控区中，暗示其出现可能成为生物基因调控的一种新机制。此外，DNA甲基化修饰与DNA G4结构的出现呈现负相关的关系。通过该大尺度生物基因组DNA G4结构的进化分析，研究提出了G4结构是生物在进化过程中逐渐演化出来的一种新的基因表观遗传调控机制的学术观点。

这些研究具有重要的科学意义和应用价值。生物体中的DNA分子可能并不总是以DNA双螺旋结构的形式存在，在某些条件下，会形成高级结构。这些DNA高级结构可能是一种新的基因表观遗传调控机制。这些参与基因转录调控的DNA高级结构及其结合蛋白有可能成为调控生物生长发育和疾病治疗的新靶标位点。

在该Communications Biology论文中，吴凤、牛康康和崔勇为共同第一作者，我校冯启理教授、相辉教授和美国密苏里大学宋齐生教授为共同通讯作者，华南师范大学为第一完成单位。研究受到国家自然科学基金重点项目和重点国际交流与合作项目的资助。

相关论文链接：

1． Communications Biology，2021

(https://www.nature.com/articles/s42003-020-01643-4)

2． Epigenetics and Chromatin, 2020

(https://epigeneticsandchromatin.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13072-020-00334-y)

3． Insect Science, 2020 

(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/1744-7917.12831)

4． Nucleic Acids Research, 2019 (https://academic.oup.com/nar/article/47/14/7306/5511465)

5． Nucleic Acids Research, 2018 (https://academic.oup.com/nar/article/46/4/1710/4670954)

Figure 1. 37个物种的G4结构进化格局分析

Figure 2. GC含量分析和代表性物种染色体中G4结构的分布

Figure 3. 免疫荧光直观展示代表性物种基因组中的G4结构

作者：牛康康

审稿：林伟涛

• 发布时间：
• 2021-01-23 16:02:25 来源：华南师范大学生命科学学院 点击： 收藏本文

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