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在细胞的微观世界里，线粒体的分子拥挤环境影响核酸结构。研究人员聚焦于预测人线粒体中 G - 四链体（G4）DNA 形成的可预测性，发现线粒体环境更利于 G4 形成且影响基因表达，这为探究线粒体功能及相关疾病提供关键线索。
细胞内的线粒体，就像一座繁忙的 “能量工厂”，为细胞的各种活动提供能量。在这个小小的细胞器里，却隐藏着许多与生命健康息息相关的奥秘。其中，线粒体 DNA（mtDNA）的结构和功能一直是科学家们关注的焦点。mtDNA 上存在一些特殊的序列，这些序列可以形成一种特殊的 DNA 结构 ——G - 四链体（G4）。G4 的形成与否对 mtDNA 的复制、转录等过程有着重要影响，进而与线粒体疾病、衰老等密切相关。然而，由于细胞内环境复杂多变，尤其是线粒体内部独特的分子拥挤环境，使得预测 G4 在 mtDNA 上的形成变得十分困难 。此前，虽然对核酸结构有一定研究，但在不同细胞器环境下，核酸结构变化的预测仍存在诸多不足。为了攻克这一难题，来自日本神户市立大学前沿生物分子工程研究所（FIBER）等机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Communications Chemistry》上，为我们揭示了线粒体中 G4 DNA 形成的规律，为相关疾病的研究和治疗开辟了新的道路。
研究人员在此次研究中主要运用了以下关键技术方法：通过紫外熔解实验（UV melting study）研究 DNA 双链稳定性；利用圆二色谱（CD）光谱技术检测 G4 的形成情况；采用 N - 甲基中卟啉 IX（NMM）测定评估双链向 G4 的转变；借助基因转染实验，将构建的质粒载体导入细胞，探究 G4 形成对基因表达的影响 。
1. 线粒体中双链稳定性的评估
研究人员采用最近邻（NN）模型预测双链稳定性。他们发现，聚乙二醇（PEG）等溶质会影响 DNA 双链稳定性。如 PEG200 因降低水活度使双链稳定性下降，而 PEG8000 在模拟线粒体基质条件下，因其排除体积效应促进双链形成，且对无偏双链的稳定作用更强。通过计算不同条件下双链形成的自由能变化，发现线粒体类似条件下（如 PEG8000 存在时），富含 GC 序列的双链稳定性降低，这暗示着 G4 形成更容易发生。
2. 线粒体模拟条件下 G4 的优先形成
研究人员运用 CD 光谱对含 G4 形成序列的双链进行分析。他们模拟细胞核和线粒体的环境，分别以 30 wt% 1,3 - 丙二醇（PDO）和添加不同浓度 PEG8000 的溶液来模拟。结果显示，随着模拟线粒体环境溶液（如增加 PDO 浓度或添加 PEG8000）的变化，G4 形成水平显著增加。而且，序列中 GC 含量越高，对环境变化越敏感，越容易形成 G4 。同时，NMM 测定结果也表明，线粒体环境能加速 G4 的形成。
3. G4 形成对线粒体基因表达的抑制作用
研究人员构建了一系列质粒 DNA 载体，利用一种肽载体将其导入线粒体。这些载体包含线粒体 RNA 聚合酶识别的启动子序列、G4 形成序列以及绿色荧光蛋白（GFP）基因。通过与对照载体（含青色荧光蛋白 CFP 基因且无 G4 形成序列）共转染 HeLa 细胞，观察 GFP 和 CFP 的荧光强度。结果发现，含 G4 形成序列的载体使 GFP 表达水平降低，说明 G4 形成能有效抑制线粒体中的基因表达，且这种抑制作用在线粒体中比在细胞核中更明显。
研究人员通过一系列实验，清晰地证明了与细胞核相比，G4 在线粒体中更容易形成。线粒体的特殊环境，如较高的分子拥挤程度，为 G4 的形成提供了有利条件。同时，G4 的形成对线粒体基因表达有着重要影响，可能通过影响 mtDNA 的转录过程，进而调控线粒体的功能。这一研究成果不仅有助于我们深入理解线粒体中核酸结构与功能的关系，还为线粒体疾病的诊断和治疗提供了新的理论依据和潜在靶点。未来，基于这些发现，有望开发出针对线粒体疾病的新型治疗策略，为人类健康带来新的希望。
