分子拥挤效应对可形成多重G-四链体的端粒悬突结构可及性的影响研究

本研究针对细胞拥挤环境如何影响端粒悬突（含1-6个G-四链体）的结构可及性这一科学问题，通过单分子FRET和FRET-PAINT技术，发现聚乙二醇（PEG-200/PEG-6000）诱导的分子拥挤会导致端粒悬突构象压缩，并使互补PNA探针结合效率降低3-8倍，为理解端粒动态调控机制提供了新视角。

　　

端粒作为染色体末端的保护性结构，其单链悬突（telomeric overhang）可通过鸟嘌呤富集序列形成G-四链体（G-quadruplex, GQ）。这种特殊结构在衰老和癌症中起关键作用，但细胞内部高度拥挤的环境（含大量生物大分子）如何影响多重GQ结构的动态特性，一直是未解之谜。传统体外实验无法模拟真实的细胞环境，导致对端粒悬突构象变化与功能关联的认知存在显著空白。

为解决这一问题，研究人员在《Biomacromolecules》发表的研究中，创新性地采用聚乙二醇（PEG）模拟细胞拥挤环境，结合单分子荧光共振能量转移（smFRET）和FRET-PAINT（一种超分辨率成像技术），系统分析了不同分子量（200/6000 Da）PEG对端粒悬突（含1-6个GQ）构象的影响。关键技术包括：1）smFRET实时监测GQ构象动态；2）FRET-PAINT定量探针结合效率；3）使用短肽核酸（PNA）作为互补链可及性标记物。

分子拥挤诱导端粒悬突构象压缩
通过smFRET发现，随着PEG浓度升高（尤其30% PEG-6000），端粒悬突呈现渐进式压缩，表明大分子拥挤效应会显著改变GQ的空间排布方式。

PEG分子量依赖性可及性降低
FRET-PAINT数据显示，PEG-200和PEG-6000分别使PNA探针结合效率降低3倍和8倍，说明拥挤剂的物理尺寸直接影响GQ结构的暴露程度，可能通过空间位阻效应阻碍探针接近。

多重GQ结构的协同压缩效应
含多个GQ的悬突比单一GQ表现出更显著的构象变化，提示GQ间相互作用在拥挤环境中会增强，形成更致密的"结构域"。

该研究首次揭示分子拥挤环境会通过物理压缩和空间屏蔽双重机制调控端粒悬突的可及性。这一发现对理解端粒维持机制有重要意义：1）为癌细胞中端粒异常缩短现象提供新解释（拥挤环境可能阻碍端粒酶接近）；2）提示GQ靶向药物设计需考虑细胞内实际构象状态。研究还建立了PEG模拟体系与单分子技术的创新结合范式，为其他核酸结构研究提供了方法论参考。