人类与类人猿端粒到端粒基因组中G-四链体(G4)的进化动力学与功能解析

本研究通过分析人类及五种类人猿的端粒到端粒(T2T)基因组，系统揭示了G-四链体(G4)的进化规律与功能特征。研究人员结合pqsfinder和G4Hunter算法鉴定出769,184-844,650个预测G4结构(pG4s)，发现新组装区域存在41,232-174,442个新型pG4s。研究证实pG4s遵循分子钟进化，在调控区域富集且低甲基化，物种特异性pG4s可能驱动基因组扩张和适应性进化。该成果为理解非经典DNA结构的生物学意义提供了新视角。

　　

在生命科学的奥秘中，DNA的双螺旋结构早已为人熟知，但鲜为人知的是，基因组中还存在着被称为"G-四链体"(G-quadruplexes, G4s)的特殊结构。这些由鸟嘌呤富集区域形成的非经典DNA结构，如同基因组中的暗物质，在基因调控、基因组稳定性维持等关键生物学过程中扮演着重要角色。然而，由于技术限制，科学家们长期以来只能窥见这些结构的冰山一角，特别是在人类近亲类人猿中，G4s的完整图谱和进化规律更是迷雾重重。

随着端粒到端粒(T2T)基因组测序技术的突破，科学家们终于有机会全面探索这些神秘结构。来自宾夕法尼亚州立大学的研究团队Saswat K. Mohanty、Francesca Chiaromonte和Kateryna D. Makova*在《Genome Biology》发表的重要研究，首次对人类及五种类人猿（黑猩猩、倭黑猩猩、大猩猩、婆罗洲猩猩和苏门答腊猩猩）的T2T基因组中的G4s进行了系统性分析。这项研究不仅填补了非经典DNA结构进化研究的空白，更为理解灵长类基因组的适应性进化提供了全新视角。

研究人员采用pqsfinder和G4Hunter算法组合预测G4结构，设置pqsfinder评分≥40和G4Hunter评分≥1.5的严格阈值。通过MAP-SEA流程分析六种类人猿T2T基因组的全基因组比对数据，鉴定共享和物种特异性pG4s。利用5-甲基胞嘧啶甲基化数据预测体内G4形成概率，并通过功能富集分析探究pG4s的生物学意义。样本来源于人类CHM13细胞系和其他类人猿成纤维细胞系/淋巴母细胞系的测序数据。

新组装区域揭示大量新型G4结构

研究团队在六种类人猿T2T基因组中鉴定出769,184-844,650个pG4s，其中人类基因组包含769,184个pG4s，显著高于既往研究预测。引人注目的是，与旧版基因组组装(GRCh38)相比，人类T2T基因组(CHM13v2.0)在新解析区域发现了41,232个新增pG4s，增幅达5.4%。这些新增pG4s主要富集在近端着丝粒染色体（13、14、15、21和22号）以及8号和10号染色体上。

G4分布与染色体进化密切相关

通过构建类人猿染色体同源图谱，研究人员发现同源染色体间具有相似的pG4密度模式。人类17、19和22号染色体及其类人猿同源染色体显示出最高pG4密度(>0.4/kb)。pG4密度与基因密度呈显著正相关(R²
=0.80)，这种关联主要源于GC含量的影响，但校正GC含量后仍保留部分显著性(R²
=0.088)。

分子钟揭示G4进化规律

研究首次证实pG4s的进化遵循分子钟原理。通过计算物种间非共享pG4s数量定义的"G4距离"与物种分歧时间高度相关(R²
=0.956)。最大简约法构建的系统发育树准确反映了已知的类人猿进化关系。约三分之一的pG4s在所有类人猿中保守存在，而物种特异性pG4s占比11-27%，其中大猩猩特异性pG4s最多(224,922个)。

功能区域的特异性富集模式

保守pG4s在调控区域显著富集：启动子(6.71倍)、5'UTR(7.34倍)、增强子(4.08倍)和复制起始位点(4.13倍)。物种特异性pG4s同样富集于调控区域，如人类特异性pG4s在启动子(2,753个)和增强子(4,772个)的富集。甲基化分析显示，调控区域的pG4s普遍呈现低甲基化状态，提示其体内形成活性。

这项开创性研究构建了类人猿G4结构的完整图谱，揭示了三个关键进化规律：首先，T2T基因组揭示了大量隐藏于复杂区域的G4结构，修正了既往认知；其次，G4s遵循分子钟进化，其保守性与功能重要性正相关；最后，物种特异性G4s可能通过调控元件和重复序列扩张驱动基因组进化。特别值得注意的是，人类特异性pG4s在神经发育通路中的富集，为理解人类认知能力的进化提供了新线索。

该研究的临床意义同样深远。G4s与癌症（如MYC、KRAS基因）和神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病）的关联早已被认识，而本研究揭示的G4进化保守性为跨物种转化研究提供了理论基础。此外，调控区域G4s的低甲基化特征提示表观遗传药物可能通过调节G4稳定性发挥治疗作用。随着T2T基因组时代的到来，这项研究为全面解析非经典DNA结构的生物学意义树立了新标杆。