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本文聚焦 G - 四链体 DNA（G4s）在抗癌疗法中的应用。阐述了 G4s 的结构多样性、靶向小分子设计策略，介绍相关结合配体，探讨其在细胞内的存在、挑战与进展，为抗癌药物研发提供新思路。
G - 四链体 DNA 及其结构多态性
G4 DNA 结构由两个或更多 G - 四联体堆叠组装而成，每个 G - 四联体由四个鸟嘌呤碱基通过 N1、N7、O6和 N2 原子之间的 Hoogsteen 氢键连接形成。这些结构通过 π-π 堆积、静电、疏水相互作用和范德华力稳定。单价离子如 K+和 Na+与 G4 结构空腔中的八个带负电的 O6原子形成配位键，从而对结构稳定性产生影响。
G - 四链体 DNA 的结构和稳定性因素
G4 DNA 的折叠和稳定性取决于多个因素，包括环的性质、链化学计量比、序列组成和阳离子配位。环在形成 G - 四联体的鸟嘌呤之间形成桥梁，调节 G4 的折叠和稳定性，可分为侧向环、对角环和螺旋桨环。一般来说，短环有利于平行构象的形成，而长环则有利于反平行结构。环中的碱基序列也对 G4 的结构和稳定性有显著影响。
G - 四链体相互作用蛋白
G4 相互作用蛋白可选择性地结合 G4 结构，在端粒维持、基因调控和 DNA 复制中发挥关键作用。这些蛋白分为两类：结构特异性蛋白和构象特异性蛋白。结构特异性蛋白优先结合 G4 结构，而非单链或双链 DNA；构象特异性蛋白则选择性地结合平行、反平行或混合型 G - 四链体结构。
端粒 G - 四链体
端粒 DNA 在结构和功能上与其他序列不同。端粒长度在染色体保护中起着重要作用，可防止染色体降解和端对端融合。它由富含 G/C 的双链区域和富含 G 的单链 3′- 突出端区域组成。在正常体细胞中，由于 “末端复制问题”，端粒在细胞分裂的每个周期都会缩短。当端粒达到临界长度时，细胞会进入衰老期，随后死亡。
G - 四链体结合配体
端粒和启动子 G4s 的调节作用促使人们开发选择性 G4 结合配体。有效的小分子必须能够区分四链体 DNA 与双链及其他核酸形式。杂原子多环化合物，如取代吖啶、蒽醌、呫吨酮、萘二酰亚胺，以及环状分子，如端粒抑素和卟啉衍生物等，已显示出与各种 G4 结构有良好的结合能力。
RNA G - 四链体
1988 年，Sen 和 Gilbert 证明了在生理条件下可形成四链平行 DNA G4s，并强调了它们在端粒、基因启动子和免疫球蛋白转换区的生物学意义。三年后，Kim 等人发现富含 G 的 RNA 序列在生理 pH 下也能形成四链体结构，但这些结构在稳定性、结构多态性、形成倾向和生物学作用方面与 DNA G4s 有所不同。
DNA - RNA 杂交和线粒体 G - 四链体
DNA - RNA 杂交 G4s 在细胞中通过 DNA 和 RNA 末端重复序列的相互作用形成。端粒蛋白 TRF2 通过与 DNA 和 RNA G4 序列结合，将 DNA 和 RNA G4 聚集在一起，促进其形成。分子间 DNA - RNA G4 比分子内的更有效地调节转录。最近的研究表明，蒽醌 - 寡吡咯衍生物可靶向四链体 - 双链杂交（QDH）DNA，作为潜在的抗癌剂。
G - 四链体结构在人类基因组中的存在
大量体外研究表明 G - 四链体结构可以形成，并且四链体结构在动力学和热力学上具有稳定性，这使得人们相信它们在细胞水平上也存在。最初的研究主要依靠计算模型来预测和量化 DNA G4 形成序列，并分析其基因组分布。早期的生物物理研究确定了一个规范的共有序列 d (G3+N1–7G3+N1–7G3+N1–7G3+)，这对 G4 形成至关重要。
G4 结构在癌症中的治疗潜力
经过二十多年的研究，只有少数 G4 结合小分子成功进入临床试验，用于评估其作为潜在抗癌药物的效果。临床试验中 G4 结合剂数量极少，主要归因于已有的配体存在脱靶效应和毒性问题。Quarfloxin（CX - 3543）是第一个进入临床试验的 G4 结合剂，在临床前研究中，它抑制了 Pol I，但由于生物利用度问题，其进一步的临床试验被撤回。
未来展望
尽管在 G4 结合配体的研究方面取得了显著成就，但大量研究表明，大多数配体存在脱靶效应，这阻碍了它们作为抗癌药物的临床转化。由于 G4 结构之间的区分特征极少，很难实现对特定 G4 构象的选择性识别。为了提高选择性，人们采用了一种新方法来开发能够特异性识别环和其他区域特征的配体。
结论
在过去的二三十年里，化学家和生物学家丰富了 G - 四链体配体库。基因组中广泛存在的四链体结构、细胞内 G - 四链体结构的真实存在，以及它们调节从复制到翻译等细胞功能的能力，激发了研究人员设计结构特异性小分子的兴趣。基于配体的方法和最近基于表型的方法，都为抗癌药物的研发提供了方向，但仍面临着诸如脱靶效应等挑战，未来需要进一步探索和研究。
