G-四鏈體

科學家1962年發現人體癌症細胞中存在着四螺旋體DNA分子，被命名為“G-四鏈體”，這項發現將挑戰之前對DNA結構教條式理解的觀點。 ^[1] 

研究歷史：通過鑑定與鳥嘌呤相關的凝膠樣物質，鑑定與鳥嘌呤高結合的結構在1960年代初期變得顯而易見。更具體地説，這項研究詳細描述了與鳥嘌呤高度相關的四鏈DNA結構，該結構後來於1980年代在DNA的真核端粒區域被發現。通過以下陳述描述了發現G-四鏈體結構的重要性：“如果G-四鏈體在體外如此容易形成，大自然將找到一種在體內使用它們的方法”--Aaron Klug，諾貝爾化學獎獲得者（1982）。由於體內具有豐富的G-四鏈體，這些結構通過與癌基因的啓動子區域和DNA鏈的端粒區域的相互作用而具有生物學相關的作用。當前的研究包括確定這些G-四鏈體結構對特定癌基因的生物學功能，並基於與G-四鏈體的相互作用發現有效的癌症治療方法。

G-四鏈體是由4個螺旋體鏈構成，而不是兩個，科學家曾在實驗室內製造出四重螺旋體，但是自然界中存在四重螺旋體是非常奇特的。科學家在人類癌症細胞中發現這種四重螺旋體DNA分子。 ^[1] 

四聯體形成中涉及的核酸序列的長度決定了四聯體如何摺疊。短序列僅由三個或多個鳥嘌呤鹼基的單個連續序列組成，需要四個單鏈形成四鏈體。這樣的四鏈體被描述為四分子的，反映了對四個分開的鏈的需求。術語G4 DNA最初是為這些在減數分裂中起作用的四分子結構保留的。然而，如當前在分子生物學中使用的，術語G4可以表示任何分子的G-四鏈體。較長的序列包含兩個連續的三個或多個鳥嘌呤鹼基序列，其中鳥嘌呤區被一個或多個鹼基隔開，僅需要兩個這樣的序列即可提供足夠的鳥嘌呤鹼基以形成四鏈體。由兩條獨立的富G鍊形成的結構稱為雙分子四鏈體。最後，包含四個不同的鳥嘌呤鹼基序列的序列可以自己形成穩定的四鏈體結構，而完全由單鏈形成的四鏈體稱為分子內四鏈體。

取決於單個鳥嘌呤鹼基的排列如何在雙分子或分子內四鏈體中排列，四鏈體可以採用具有變化的環構型的多種拓撲之一。如果DNA的所有鏈都沿相同方向進行，則將四鏈體稱為平行。對於分子內四鏈體，這意味着存在的任何環區域必須是螺旋槳類型，位於四鏈體的側面。如果一個或多個鳥嘌呤鹼基序列具有與其他鳥嘌呤鹼基序列相反的5'-3'方向，則認為該四鏈體已採用反平行拓撲。分子內反平行四鏈體中連接鳥嘌呤鹼基的環是對角的，連接兩個對角相對的鳥嘌呤鹼基的環，或者是橫向（邊）型環，連接兩個相鄰的鳥嘌呤鹼基對的環。

在由雙鏈DNA形成的四鏈體中，還討論了可能的鏈間拓撲結構。鏈間四鏈體包含鳥嘌呤，該鳥嘌呤源自dsDNA的兩條鏈。 ^[2] 

G-四鏈體，是由4個鳥嘌呤作為基礎發生交互作用結合成為一個正方形，它們是一種暫時性結構，大量存在於即將分裂的細胞之中，它們出現在染色體核和染色體終端(可以保護染色體免受損害)。由於癌細胞分裂非常迅速，在染色體終端經常出現缺陷，四重螺旋體DNA分子可能唯一存在於癌細胞。如果是這樣的話，任何癌症治療都不會傷害健康細胞。 ^[1] 

在對人類基因組測序之後，發現了許多可能形成四鏈體的富含鳥嘌呤的序列。根據細胞類型和細胞週期，介導因子如染色質上的DNA結合蛋白（由緊密纏繞在組蛋白周圍的DNA組成）以及其他環境條件和壓力影響四鏈體的動態形成。例如，對分子擁擠的熱力學的定量評估表明，反平行的g-四鏈體通過分子擁擠得以穩定。這種作用似乎是由DNA水合的改變及其對Hoogsteen鹼基對鍵合。這些四鏈體似乎很容易出現在染色體末端。另外，在RNA序列中轉錄期間g-四鏈體形成的傾向具有形成相互排斥的髮夾或G-四鏈體結構的可能性在很大程度上取決於髮夾形成序列的位置。

因為修復酶會自然地將線性染色體的末端識別為受損的DNA，並對其進行處理，從而對細胞產生有害影響，所以在線性染色體的末端需要清晰的信號和嚴格的調控。端粒的功能是提供這種信號。端粒富含鳥嘌呤，易於形成g-四鏈體，位於染色體的末端，可通過保護這些易受攻擊的末端不穩定性來幫助維持基因組完整性。

這些端粒區域的特徵在於雙鏈CCCTAA：TTAGGG重複序列的長區域。重複序列的3'末端為10至50個單鏈TTAGGG重複序列。異二聚體複雜的核糖核蛋白酶端粒酶在DNA鏈的3'末端添加了TTAGGG重複序列。如果突出端的長度大於四個TTAGGG重複序列，則在這些3'末端突出處，富含G的突出端可形成二級結構，例如G-四鏈體。這些結構的存在可防止端粒酶複合物延長端粒。 ^[3] 

這項最新發現將挑戰科學界對DNA結構的教條式理解觀點。

研究人員在使用抗生素的情況下發現癌症細胞中存在四鏈螺旋體DNA，為了阻止四鏈螺旋體分解成為普通的DNA，它們將這種DNA分子與抗生素pyridostatin發生接觸，該抗生素能夠將四鏈螺旋體保持在其生成的區域。

這項研究可使研究人員計算出細胞增殖的各個階段形成的數量，四鏈螺旋體DNA大量存在於S期(細胞分裂之前DNA複製階段)。

正常細胞中也存在着四鏈螺旋體分子，但是與癌症細胞存在差異。很可能四鏈螺旋體分子是在混亂基因組突變和癌性或癌症前期細胞重組的情況下形成的。

英國癌症研究中心的朱莉-夏普指出：“該項研究將進一步強調這些獨特DNA結構治療癌症的潛能，接下來我們將研究如何在腫瘤細胞中發現四鏈螺旋體分子。” ^[1] 

研究發現，ht-G4DNA本身可以催化不對稱Diels?Alder反應和Friedel?Crafts反應。當ht-G4DNA和銅（II）離子組裝成DNA金屬酶時，反應的活性和手性選擇性可大幅度提升。調控ht-G4DNA的拓撲結構可以影響反應產物的手性構型。如在Diels?Alder反應中，當ht-G4DNA從反平行結構轉變為平行結構時，反應產物的手性構型發生了反轉，產物的ee值從+74%轉變為-47%。進一步調變G四鏈體DNA的鹼基序列，可在很大程度上影響反應的速率和產物的手性選擇性。 ^[4]