不对称G/C富集双链DNA序列依赖性构象转变的光谱学研究：i-motif与G-四链体的动态平衡解析

这篇综述通过圆二色光谱（CD）和吸收光谱技术，系统研究了G/C富集DNA序列在双螺旋与替代结构（i-motif和G-四链体G4）间的动态平衡。文章揭示了pH、离子浓度及序列特征（如C/G连续片段长度和环区结构）对构象选择的关键影响，为理解基因组调控元件（如端粒和启动子区）的动态结构提供了新视角。

　　

引言

核酸分子作为生命遗传信息的载体，其结构多样性远超经典的右旋双螺旋。近年来，替代构象如胞嘧啶i-motif（基于C:C⁺
半质子化碱基对）和鸟嘌呤四链体（G4，依赖G-四联体堆叠）在基因调控中的作用备受关注。这些结构在端粒、启动子等区域的富集，暗示其可能通过动态构象转变参与复制、转录等核内过程的精细调控。

方法

研究采用模型G/C富集序列（如C₄
T₂
和G₄
A₂
），结合CD光谱和熔解实验，分析不同pH（6.0 vs 7.5）及离子条件（K⁺
/Na⁺
）下的构象平衡。CD光谱特征明确区分了B型双螺旋（~275 nm正峰）、i-motif（~290 nm正峰）及平行/反平行G4（265 nm或290 nm主导峰）。

结果与讨论

1. 序列设计的影响：

   • C/G片段长度：四碱基连续片段（如C₄
     ）比三碱基（C₃
     ）更易形成稳定i-motif，尤其在pH 6.0时Tm达40°C；G₄
     序列则倾向形成平行G4（Tm~80°C），但环区延长（如A₃
     ）会驱动构象转向反平行且降低稳定性。
   • 环区序列：T环提升i-motif稳定性，而A环促进G4的平行构象。序列翻转（如C₄
     A₄
     /G₄
     T₄
     ）在pH 6.0下显著延缓双螺旋形成，暗示G:A错配可能干扰G4解离。

2. 环境因素的调控：

   • pH作用：酸性条件（pH 6.0）通过稳定C:C⁺
     对增强i-motif，但双螺旋仍为优势构象。例外见于短环序列（如C₃
     T₁
     ），其G4可抵抗互补链侵袭。
   • 动力学壁垒：G4从平行向反平行转变（~55°C）及双螺旋形成（~72°C）存在能垒，提示细胞内短暂存在的替代结构可能具有功能窗口。

3. 结构与功能关联：

   • 启动子与端粒：c-kit和hTERT等基因启动子的G/C富集区在低pH肿瘤微环境中可能通过i-motif/G4动态平衡调控转录。
   • 诊断工具潜力：CD光谱的敏感性可快速筛查基因组中潜在构象开关位点，如ALS相关GGGGCC重复序列的异常折叠。

结论

G/C富集DNA的构象平衡强烈偏向双螺旋，但特定序列（如长环或翻转环设计）和病理条件（如酸中毒）可稳定替代结构。该研究为靶向i-motif/G4的药物设计（如抗癌剂）提供了理论基础，并凸显CD技术在核酸结构动力学研究中的不可替代性。

（注：全文数据均基于原文实验，未添加非文献支持内容）