人类活细胞中首次观察到DNA的二级结构i-motif | Nature Chemistry 论文推荐

DNA可不仅是双螺旋

撰文 Yasemin Saplakoglu

翻译 严冰冰

审校 阿金

i-motif示意图：白色和绿色四链结构为I-motif，而白色Y型结构为结合I-motif的抗体分子

图片来源: ChrisHammang

当我们想到DNA时，首先出现在脑海中的往往是经典的双螺旋结构画面：梯子状结构优雅盘旋，犹如红酒开瓶器。

但 DNA 并不总以这种形式存在，其中，一种名为 i-motif 的二级结构，即由四条 DNA 单链形成的结状结构，多年来一直存在争议。因为 i-motif 偏爱酸性环境，这是一种可以在实验室中被制造出来，但在人体里并不自然存在的环境，所以许多科学家认为这种结构不可能在人体细胞里存在。

但实际上，近年来的研究已指出，这种奇怪的 DNA 结构可能真实存在于人体内。今年4月23日发表于 Nature Chemistry 的最新研究为 i-motif 的真实存在提供了首例直接证据，并表明它可能在调控基因表达方面有着重要功能。

文章作者、悉尼加文医学研究所金霍恩临床基因组学中心（the Kinghorn Centre for Clinical Genomics, the Garvan Institute of Medical Research）主任 Marcel Dinger 表示，“在此之前，人们大多认为 i-motif 折叠只是一种理论中的假想，完全不清楚它在生物学上有什么实际意义”，而在人体活细胞里观察到 i-motif 的存在则“非常令人惊叹”。

为了识别出 i-motif，Dinger 团队设计了一种抗体蛋白，专门用来找到并锁定 i-motif。他们用荧光染料标记这些抗体，并在实验室环境下将它们注射进人体细胞，然后利用功能强大的显微镜，观察到一群发光的小绿点——说明被染色的抗体“抓住”了神秘莫测的 i-motif 结构。

Dinger 表示，研究最困难的部分是如何证实他们所用的抗体只会结合 i-motif，而不会结合其他 DNA 结构。Dinger 团队测试了所用抗体与其他形式 DNA 相互作用的情况，例如经典的双螺旋结构以及 G-四连体结构（一种与i-motif相关的、已被深入研究的 DNA 结构）。结果证明，Dinger 团队所用的抗体特异性很强，不会与其他两种形式的 DNA 结合。

作为英国东安格利亚大学生物化学的资深讲师，ZoeWaller 虽然没有参与研究，但她表示，“这个发现让人激动不已……这项研究犹如锦上添花，是证明 i-motif 在体内真实存在的强大证据，并且非常值得深入研究。”

调控作用

在接受 LiveScience 采访时，Dinger 表示，最让团队激动的，不仅是证明了 i-motif 在活细胞中真实存在，而且他们还观察到这些绿色荧光信号忽明忽暗的闪烁节律——这表明 i-motif 结构处在反复地折叠形成-打开这一动态变化之中。尤其是，Dinger 团队发现，在转录的特定阶段——当 DNA 刚开始活跃转录的时候，DNA 折叠形成 i-motif 的频率增加。随后 DNA 打开并回复到平常结构，i-motif 结构随之消失。Dinger 认为，这表明 i-motif 很有可能在调控转录过程中发挥特定作用。

实际上，这项发现与之前在实验室培养皿研究中的发现一致，即 i-motif 折叠出现在调控基因表达的 DNA 区域，包括染色体末端的端粒区域（与调控衰老有关）和启动子区域（控制基因表达的开关）。

但是，尽管知道 i-motif 折叠出现的部分位置，研究人员尚不清楚它们具体调控哪些基因，以及如果阻止 i-motif 结构形成会导致怎样的后果。

“关于基因组我们所知甚少，目前了解的大约只有1%”，Dinger 表示，在活细胞中观察到 i-motif 结构的存在，“可以帮助我们解码未知的基因组部分，理解它们的作用。”

Dinger 表示，事实上，这些奇怪的 i-motif 折叠很可能在人体的每一个细胞内都存在。而正因为相比常规的 DNA 结构，如此奇怪的折叠在基因组里的数量更少，所以与非折叠区域相比，靶向药物也许能够更特异地结合这些 DNA 区域。

例如，这类靶向药物可能对癌症治疗有用。美国亚利桑那大学教授 LaurenceHurley 表示，癌症疗法存在的一个问题是，不能够选择性地特异靶向有问题的 DNA 片段，相反，癌症药物可能结合 DNA 的其他区域，导致潜在的有害副作用。Hurley 虽然没有参与该研究，但她所在的科研公司 Reglagene 正在研发能靶向 i-motif 之类四链 DNA 的治疗性分子。

Hurley 告诉 LiveScience ，“我等这样一篇文章已经等了很久了……这为针对DNA新结构的治疗性方案研究提供了坚实的基础，也消除了人们之前对于这些结构是否真实存在、是否有生物学意义的疑问。”

原文链接

https://www.livescience.com/62381-new-form-dna-human-cells-i-motif.html

相关论文信息

【论文题目】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

【DOI】10.1038/s41557-018-0046-3

【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.