人類活細胞中首次觀察到DNA的二級結構i-motif

DNA可不僅是雙螺旋

撰文 Yasemin Saplakoglu

翻譯 嚴冰冰

審校 阿金

i-motif示意圖：白色和綠色四鏈結構為I-motif，而白色Y型結構為結合I-motif的抗體分子

圖片來源: ChrisHammang

當我們想到DNA時，首先出現在腦海中的往往是經典的雙螺旋結構畫面：梯子狀結構優雅盤旋，猶如紅酒開瓶器。

但 DNA 並不總以這種形式存在，其中，一種名為 i-motif 的二級結構，即由四條 DNA 單鏈形成的結狀結構，多年來一直存在爭議。因為 i-motif 偏愛酸性環境，這是一種可以在實驗室中被製造出來，但在人體里並不自然存在的環境，所以許多科學家認為這種結構不可能在人體細胞里存在。

但實際上，近年來的研究已指出，這種奇怪的 DNA 結構可能真實存在於人體內。今年4月23日發表於Nature Chemistry 的最新研究為 i-motif 的真實存在提供了首例直接證據，並表明它可能在調控基因表達方面有著重要功能。

文章作者、悉尼加文醫學研究所金霍恩臨床基因組學中心（the Kinghorn Centre for Clinical Genomics, the Garvan Institute of Medical Research）主任 Marcel Dinger 表示，「在此之前，人們大多認為 i-motif 摺疊只是一種理論中的假想，完全不清楚它在生物學上有什麼實際意義」，而在人體活細胞里觀察到 i-motif 的存在則「非常令人驚嘆」。

為了識別出 i-motif，Dinger 團隊設計了一種抗體蛋白，專門用來找到並鎖定 i-motif。他們用熒光染料標記這些抗體，並在實驗室環境下將它們注射進人體細胞，然後利用功能強大的顯微鏡，觀察到一群發光的小綠點——說明被染色的抗體「抓住」了神秘莫測的 i-motif 結構。

Dinger 表示，研究最困難的部分是如何證實他們所用的抗體只會結合 i-motif，而不會結合其他 DNA 結構。Dinger 團隊測試了所用抗體與其他形式 DNA 相互作用的情況，例如經典的雙螺旋結構以及 G-四連體結構（一種與i-motif相關的、已被深入研究的 DNA 結構）。結果證明，Dinger 團隊所用的抗體特異性很強，不會與其他兩種形式的 DNA 結合。

作為英國東安格利亞大學生物化學的資深講師，ZoeWaller 雖然沒有參與研究，但她表示，「這個發現讓人激動不已……這項研究猶如錦上添花，是證明 i-motif 在體內真實存在的強大證據，並且非常值得深入研究。」

調控作用

在接受 LiveScience 採訪時，Dinger 表示，最讓團隊激動的，不僅是證明了 i-motif 在活細胞中真實存在，而且他們還觀察到這些綠色熒光信號忽明忽暗的閃爍節律——這表明 i-motif 結構處在反覆地摺疊形成-打開這一動態變化之中。尤其是，Dinger 團隊發現，在轉錄的特定階段——當 DNA 剛開始活躍轉錄的時候，DNA 摺疊形成 i-motif 的頻率增加。隨後 DNA 打開並回復到平常結構，i-motif 結構隨之消失。Dinger 認為，這表明 i-motif 很有可能在調控轉錄過程中發揮特定作用。

實際上，這項發現與之前在實驗室培養皿研究中的發現一致，即 i-motif 摺疊出現在調控基因表達的 DNA 區域，包括染色體末端的端粒區域（與調控衰老有關）和啟動子區域（控制基因表達的開關）。

但是，儘管知道 i-motif 摺疊出現的部分位置，研究人員尚不清楚它們具體調控哪些基因，以及如果阻止 i-motif 結構形成會導致怎樣的後果。

「關於基因組我們所知甚少，目前了解的大約只有1%」，Dinger 表示，在活細胞中觀察到 i-motif 結構的存在，「可以幫助我們解碼未知的基因組部分，理解它們的作用。」

Dinger 表示，事實上，這些奇怪的 i-motif 摺疊很可能在人體的每一個細胞內都存在。而正因為相比常規的 DNA 結構，如此奇怪的摺疊在基因組裡的數量更少，所以與非摺疊區域相比，靶向藥物也許能夠更特異地結合這些 DNA 區域。

例如，這類靶向藥物可能對癌症治療有用。美國亞利桑那大學教授 LaurenceHurley 表示，癌症療法存在的一個問題是，不能夠選擇性地特異靶向有問題的 DNA 片段，相反，癌症藥物可能結合 DNA 的其他區域，導致潛在的有害副作用。Hurley 雖然沒有參與該研究，但她所在的科研公司 Reglagene 正在研發能靶向 i-motif 之類四鏈 DNA 的治療性分子。

Hurley 告訴 LiveScience ，「我等這樣一篇文章已經等了很久了……這為針對DNA新結構的治療性方案研究提供了堅實的基礎，也消除了人們之前對於這些結構是否真實存在、是否有生物學意義的疑問。」

相關論文信息

【論文題目】I-motif DNA structures areformed in the nuclei of human cells

【作者】Mahdi Zeraati, David B. Langley,Peter Schofield, Aaron L. Moye, Romain Rouet, William E. Hughes, Tracy M.Bryan, Marcel E. Dinger & Daniel Christ

【期刊】Nature Chemistry

【摘要】Human genome function isunderpinned by the primary storage of genetic information in canonical B-formDNA, with a second layer of DNA structure providing regulatory control. I-motifstructures are thought to form in cytosine-rich regions of the genome and tohave regulatory functions; however, in vivo evidence for the existence of suchstructures has so far remained elusive. Here we report the generation andcharacterization of an antibody fragment (iMab) that recognizes i-motifstructures with high selectivity and affinity, enabling the detection ofi-motifs in the nuclei of human cells. We demonstrate that the in vivoformation of such structures is cell-cycle and pH dependent. Furthermore, weprovide evidence that i-motif structures are formed in regulatory regions ofthe human genome, including promoters and telomeric regions. Our results supportthe notion that i-motif structures provide key regulatory roles in the genome.

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