前言（也是大戲）

無論是在中學(xué)還是大學(xué)的生物課本里，我們都能讀到“雙鏈DNA形成雙螺旋結(jié)構(gòu)”這樣的句子。這句話成立的背景，要一直追溯到上世紀的50年代。

（注：本文首發(fā)于吳思涵的微信公眾號“生物狗窩”）

在1953年1月的某一天，一位叫Maurice Wilkins的科學(xué)家，在沒有經(jīng)過同實驗室的Rosalind
Elsie Franklin同意的情況下，把她博士生Raymond Gosling拍的一張叫Photo 51的照片，即DNA晶體X射線衍射照片，帶給了James Dewey Watson和Francis Harry Compton Crick看，結(jié)果改變了整個生物學(xué)領(lǐng)域的進程。在1962年，James Watson和Francis Crick因闡明DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)而獲得了諾貝爾獎，而Rosalind Franklin則很遺憾地，于1958年因腫瘤病逝。

盡管這其中的故事細追起來就像一場八點檔大戲（比如M和老R交情差，小R先是老R的學(xué)生后來又變成M的，所以M認為小R所有東西都是他的；而J和F在使用老R的數(shù)據(jù)發(fā)表論文時，竟然沒有把老R列為共同作者，對小R的貢獻更是只字未提……諸如此類，亂得一比……），但無論如何，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的闡明，開啟了分子生物學(xué)的時代。

但是，DNA可不僅僅有雙螺旋結(jié)構(gòu)（或者叫B構(gòu)型）。隨著研究的深入，科學(xué)家又在活細胞內(nèi)發(fā)現(xiàn)了另外兩種天然存在的結(jié)構(gòu)：G四聯(lián)體（G quadruplex，又稱G-tetrads或G4-DNA）以及I-基序（I-motif）。

G四聯(lián)體DNA

首先，G4 DNA長這樣：

它首先是由同一條DNA單鏈上的4個G堿基，相鄰之間成氫鍵形成的G四合體平面（G-tetrad）。這樣的四合體平面反復(fù)出現(xiàn)，就會形成G四聯(lián)體（G-quadruplex）。在平面的中間，通常還會存在一個陽離子（多為鉀離子），幫助穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

（注：上圖僅展示了其中一種G4 DNA結(jié)構(gòu)。這里就不羅列其他各種可能性了。）

下面這張3D動圖，能夠幫我們更形象地理解G4 DNA的結(jié)構(gòu)。圖上一共包括了3層G四合體平面，藍色部分即為G堿基的之間的氫鍵。

G4 DNA雖然老早就在電腦上模擬出來，人工合成的DNA也能搞出這樣的結(jié)構(gòu)，但直到2001年后，科學(xué)家才真正在細胞中觀察到這種構(gòu)型。

既然G4 DNA可以在細胞中天然存在，那它勢必是有什么特別功能的。

沒錯，通過DNA測序，科學(xué)家預(yù)測出生物基因組中存在著大量的且非隨機分布的G4 DNA。其中研究較為深入的區(qū)域，是染色體末端的端粒（telomere）。

如果染色體的末端，是線性的雙鏈DNA，那這種暴露的結(jié)構(gòu)就非常脆弱。目前科學(xué)界認為，端粒的G4 DNA有助于保護染色體末端的DNA，能夠抑制端粒酶的活性，同時還是一種能與核膜相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。

測序結(jié)果還預(yù)測，G4 DNA還存在于50%的人類基因啟動子中。而且，這些基因往往與生長發(fā)育有關(guān)（換句話說，和癌癥有關(guān)）。但是，G4 DNA對于這些基因的轉(zhuǎn)錄到底有什么直接作用，目前尚在研究當(dāng)中，還沒有形成統(tǒng)一的理論。

此外，G4 DNA還存在于DNA臨時形成的單鏈結(jié)構(gòu)中，提示它還有可能參與了DNA的復(fù)制和修復(fù)進程。通過計算機預(yù)測，轉(zhuǎn)錄出來的RNA也可能形成G4結(jié)構(gòu)，提示其可能參與了翻譯的調(diào)控。

I-基序

相比起G4，I-motif的研究就比較少了。雖然同樣也是老早就在電腦上模擬出來，也通過人工制造出來，但細胞中是否天然存在I-motif，則是最近才證實的。

I-motif長這個樣子：

它是由同一條DNA單鏈中的C堿基之間，兩兩形成氫鍵而成的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是pH依賴的：在一定范圍內(nèi)，pH越低越穩(wěn)定。

我們不妨再換一種模式圖來幫我們理解I-motif的結(jié)構(gòu)：

（注：上面這些模式圖，也僅展示了I-motif的其中一種構(gòu)型。）

2018年4月23日上線的一篇Nature Chemistry的論文，首次證明了I-motif在細胞中是天然存在的，而不僅僅是想象。研究團隊研發(fā)了一種對I-motif高度親和的抗體，用免疫熒光的方法，在細胞中觀察到這種結(jié)構(gòu)。

通過超高分辨率熒光顯微鏡發(fā)現(xiàn)，I-motif同樣存在于端粒和一些基因的啟動子中。而至于I-motif有什么生物學(xué)功能，就有待進一步研究。

其他DNA結(jié)構(gòu)

除了G4 DNA和I-motif之外，計算機模擬和體外實驗還發(fā)現(xiàn)了其他的DNA結(jié)構(gòu)，包括十字架形DNA（Cruciform DNA）和三鏈螺旋DNA（Triplex DNA）。

然而，這些構(gòu)型的DNA是否在細胞中天然存在，就還需要實錘證據(jù)來支持。

目前針對構(gòu)型的研究，大多依賴于對DNA的抽提并進行影像學(xué)或者各種譜學(xué)的測定。然而，在抽提的過程中，我們雖然能夠保持DNA的雙螺旋構(gòu)象，但會不會使得DNA產(chǎn)生新的構(gòu)象，就還不得而知。這就是為何，DNA構(gòu)象特異的抗體的出現(xiàn)、進而直接檢測細胞內(nèi)（而非抽提出來的DNA）G4和I-motif DNA的存在，能夠被稱為實錘級的證據(jù)，也是里程碑式的發(fā)現(xiàn)。

雖然目前已經(jīng)有很多間接證據(jù)支持，cruciform和triplex DNA極有可能是天然的DNA構(gòu)象，但未來一定會有辦法，在細胞內(nèi)直接觀察到這種結(jié)構(gòu)。

但總而言之，咱們以后可別認為，DNA只有雙螺旋一種構(gòu)型喲。至少現(xiàn)在，G4和I-motif DNA的存在，已經(jīng)從假說變成實錘了。

作者：吳思涵