前言(也是大戏)

无论是在中学还是大学的生物课本里,我们都能读到“双链DNA形成双螺旋结构”这样的句子。这句话成立的背景,要一直追溯到上世纪的50年代。

(注:本文首发于我的微信公众号“生物狗窝”)

硬核 | DNA可不只有双螺旋结构

在1953年1月的某一天,一位叫Maurice Wilkins的科学家,在没有经过同实验室的Rosalind
Elsie Franklin同意的情况下,把她博士生Raymond Gosling拍的一张叫Photo 51的照片,即DNA晶体X射线衍射照片,带给了James Dewey Watson和Francis Harry Compton Crick看,结果改变了整个生物学领域的进程。在1962年,James Watson和Francis Crick因阐明DNA的双螺旋结构而获得了诺贝尔奖,而Rosalind Franklin则很遗憾地,于1958年因肿瘤病逝。

尽管这其中的故事细追起来就像一场八点档大戏(比如M和老R交情差,小R先是老R的学生后来又变成M的,所以M认为小R所有东西都是他的;而J和F在使用老R的数据发表论文时,竟然没有把老R列为共同作者,对小R的贡献更是只字未提……诸如此类,乱得一比……),但无论如何,DNA双螺旋结构的阐明,开启了分子生物学的时代。

但是,DNA可不仅仅有双螺旋结构(或者叫B构型)。随着研究的深入,科学家又在活细胞内发现了另外两种天然存在的结构:G四联体(G quadruplex,又称G-tetrads或G4-DNA)以及I-基序(I-motif)。

G四联体DNA

首先,G4 DNA长这样:

它首先是由同一条DNA单链上的4个G碱基,相邻之间成氢键形成的G四合体平面(G-tetrad)。这样的四合体平面反复出现,就会形成G四联体(G-quadruplex)。在平面的中间,通常还会存在一个阳离子(多为钾离子),帮助稳定结构。

(注:上图仅展示了其中一种G4 DNA结构。这里就不罗列其他各种可能性了。)

下面这张3D动图,能够帮我们更形象地理解G4 DNA的结构。图上一共包括了3层G四合体平面,蓝色部分即为G碱基的之间的氢键。

G4 DNA虽然老早就在电脑上模拟出来,人工合成的DNA也能搞出这样的结构,但直到2001年后,科学家才真正在细胞中观察到这种构型

既然G4 DNA可以在细胞中天然存在,那它势必是有什么特别功能的。

没错,通过DNA测序,科学家预测出生物基因组中存在着大量的且非随机分布的G4 DNA。其中研究较为深入的区域,是染色体末端的端粒(telomere)

doi: 10.1093/nar/gkv862

如果染色体的末端,是线性的双链DNA,那这种暴露的结构就非常脆弱。目前科学界认为,端粒的G4 DNA有助于保护染色体末端的DNA,能够抑制端粒酶的活性,同时还是一种能与核膜相结合的结构。

测序结果还预测,G4 DNA还存在于50%的人类基因启动子中。而且,这些基因往往与生长发育有关(换句话说,和癌症有关)。但是,G4 DNA对于这些基因的转录到底有什么直接作用,目前尚在研究当中,还没有形成统一的理论。

此外,G4 DNA还存在于DNA临时形成的单链结构中,提示它还有可能参与了DNA的复制和修复进程。通过计算机预测,转录出来的RNA也可能形成G4结构,提示其可能参与了翻译的调控。

I-基序

相比起G4,I-motif的研究就比较少了。虽然同样也是老早就在电脑上模拟出来,也通过人工制造出来,但细胞中是否天然存在I-motif,则是最近才证实的。

I-motif长这个样子:

DOI: 10.1039/C4CC07279K

它是由同一条DNA单链中的C碱基之间,两两形成氢键而成的结构。这种结构的稳定性是pH依赖的:在一定范围内,pH越低越稳定。

我们不妨再换一种模式图来帮我们理解I-motif的结构:

doi:10.1038/s41557-018-0046-3

(注:上面这些模式图,也仅展示了I-motif的其中一种构型。)

2018年4月23日上线的一篇Nature Chemistry的论文,首次证明了I-motif在细胞中是天然存在的,而不仅仅是想象。研究团队研发了一种对I-motif高度亲和的抗体,用免疫荧光的方法,在细胞中观察到这种结构。

通过超高分辨率荧光显微镜发现,I-motif同样存在于端粒和一些基因的启动子中。而至于I-motif有什么生物学功能,就有待进一步研究。

其他DNA结构

除了G4 DNA和I-motif之外,计算机模拟和体外实验还发现了其他的DNA结构,包括十字架形DNA(Cruciform DNA)三链螺旋DNA(Triplex DNA)

doi: 10.1080/21541264.2016.1243505

然而,这些构型的DNA是否在细胞中天然存在,就还需要实锤证据来支持。

目前针对构型的研究,大多依赖于对DNA的抽提并进行影像学或者各种谱学的测定。然而,在抽提的过程中,我们虽然能够保持DNA的双螺旋构象,但会不会使得DNA产生新的构象,就还不得而知。这就是为何,DNA构象特异的抗体的出现、进而直接检测细胞内(而非抽提出来的DNA)G4和I-motif DNA的存在,能够被称为实锤级的证据,也是里程碑式的发现。

虽然目前已经有很多间接证据支持,cruciform和triplex DNA极有可能是天然的DNA构象,但未来一定会有办法,在细胞内直接观察到这种结构。

但总而言之,咱们以后可别认为,DNA只有双螺旋一种构型哟。至少现在,G4和I-motif DNA的存在,已经从假说变成实锤了

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:吴思涵

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