Nat Chem：七年后又获进展！英国科学家首次在人体活细胞中观察到四螺旋DNA形成

导言：1953年，沃森和克里克发现了DNA双螺旋的结构，开启了分子生物学时代，使遗传的研究深入到分子层次，“生命之谜”被打开。近日，英国科学家首次在活细胞中观察到四螺旋DNA的形成。

2013年，在DNA双螺旋结构发表60周年之际，剑桥大学化学系教授Shankar Balasubramanian带领的团队首次宣布在人体基因组中发现四螺旋DNA结构，这些结构主要存在于DNA中富含鸟嘌呤（G）的部分，并将其称为“G-四联体”（G4s），但当时还不清楚G-四联体在基因组中的具体位置和功能，只是猜测它可能与某些癌症基因存在关联。

到2016年，他们发现G-四联体存在于调控基因特别是癌症基因的DNA区域内，这表明它们扮演着基因开关的角色。

先前的研究都需要杀死细胞或使用高浓度的化学探针来观察G4的形成过程，因此研究人员还未在正常的活细胞中追踪到它们的实际存在。

这一次，Shankar Balasubramanian带领的团队联合伦敦帝国理工学院和利兹大学的研究人员，发明了一种荧光标记，该标记能够附着在人体活细胞中的G4上，这使他们首次观察到该结构的形成方式及其在活细胞中的作用。

该研究于7月20日发表在《自然化学》上。题为“Single-molecule visualization of DNA G-quadruplex formation in live cells”

研究人员使用一种G4特异性荧光探针（SiR-PyPDS），该探针能够对活细胞中的单个G4结构进行单分子实时检测。G4s的活细胞单分子荧光成像是在使用低浓度SiR-PyPDS（20 nM）的条件下进行的，以提供代表活细胞中G4种群的信息性测量，而不会整体扰乱G4的形成和动力学。活细胞中未折叠G4的单分子荧光成像和实时化学捕获显示，G4在折叠状态和未折叠状态之间波动。研究人员还证明，活细胞中的G4形成是细胞周期依赖性的，并受到转录和复制的化学抑制干扰。

图解摘要

重新思考DNA的生物学

首席研究员Marco Di Antonio博士说：“这是第一次，我们能够证明四螺旋DNA是由正常细胞过程产生的稳定结构，并存在于我们的细胞中，这迫使我们重新思考DNA的生物学，这是基础生物学的一个新领域，并可以为癌症等疾病的诊断和治疗开辟新的途径。

“现在我们可以实时追踪细胞中的G4，并可以直接研究它们在生物学上的作用。我们知道它在癌细胞中似乎更为普遍，现在我们可以探究它在发挥什么作用，以及如何阻止它，从而可能设计出新疗法。”

研究小组认为，G4s在DNA中形成是为了暂时保持其开放并促进转录等过程，在该过程中细胞读取DNA指令并制备蛋白质。这是“ 基因表达 ”的一种形式，其中DNA中的部分遗传密码被激活。

G4似乎更常与癌症相关的基因相关联，并在癌细胞内被大量检测到。研究小组表示，由于现在能够一次成像单个G4，因此他们可以追踪其在特定基因中的作用，以及它们在癌症中的表达方式。这些基本知识可能会揭示出阻断该过程的药物新靶标。

自然形成

该团队能够在对单个G4的成像方面取得突破，得益于对通常用于探测细胞工作的机制进行了重新思考。以前，研究小组使用的抗体和分子可以识别并附着在G4上，但是这些抗体和分子需要非常高浓度的“探针”。这意味着探针分子可能会破坏DNA，反而导致它们形成G4，而不是检测到G4的自然形成。

Aleks Ponjavic博士联合领导了David Klenerman教授实验室的研究，并开发了用显微镜观察这一新荧光标记的方法。他说：“科学家们需要特殊的探针来观察活细胞中的分子，但是这些探针有时会与我们试图观察的物质发生相互作用。通过单分子显微镜，我们可以观察到比以前使用的探针浓度低1000倍的探针。在这种情况下，我们的探针仅与G4结合几毫秒而不影响其稳定性，这使我们能够在不受外部影响的情况下研究G4在其自然环境中的行为。”

对于新探针，研究小组使用了一种非常“明亮”的小剂量荧光分子，该分子能够轻易粘附在G4上。小剂量意味着他们并不需要对细胞中的每一个G4进行成像，而是可以识别和跟踪单个G4，这样他们就可以理解它们的基本生物学作用，而不会影响它们在细胞中的总体患病率和稳定性。

研究小组还发现G4s的形成和消散速度非常快，这表明它们的形成只是为了执行某种功能，如果持续时间过长，它们可能对正常细胞产生毒性。

原始出处：

Marco Di Antonio, Aleks Ponjavic, Antanas Radzevi?ius, et.al. Single-molecule visualization of DNA G-quadruplex formation in live cells. Nature Chemistry 20 July 2020