盐度调控下的DNA G-四链体稳定性：阳离子类型与浓度对G4结构的影响

本研究针对G-四链体(G4)在极端盐度环境中的稳定性机制，通过生物信息学分析和生物物理实验，揭示了阳离子类型(K+/Na+/Li+)及浓度对G4与双链DNA结构差异调控规律。团队发现嗜盐微生物基因组富含G4序列，且高盐条件(2.5 M K+)显著提升G4热稳定性(△Tm达+20°C)，而Na+/K+平衡变化在癌细胞中仅使G4稳定性降低9°C。该成果发表于《European Biophysics Journal》，为极端环境生物适应机制及肿瘤表观遗传调控提供新见解。

　　

在生命演化的长河中，嗜盐微生物如Haloferax volcanii能在2.5 M NaCl的高盐环境中繁衍生息，其基因组稳定性机制一直是未解之谜。与此同时，人类癌细胞中钾离子通道的异常表达导致细胞内K⁺浓度骤降，这种"离子风暴"如何影响基因调控？法国巴黎综合理工学院、捷克科学院生物物理研究所等机构的研究团队通过跨学科合作，在《European Biophysics Journal》发表的研究给出了关键答案。

研究首先通过G4Hunter算法扫描214种嗜盐微生物基因组，发现其G4序列频率(1.57/kbp)显著高于非嗜盐物种，暗示高盐环境可能通过特殊机制维持非经典DNA结构。为验证这一假说，团队采用FRET熔解和UV熔解技术，系统分析了22种G4/双链模型在10 mM-2 M K⁺梯度、Na⁺/K⁺置换及Li⁺/Mg²⁺添加条件下的热力学参数。

主要技术方法

1. 生物信息学：G4Hunter分析214种嗜盐微生物和705种对照基因组
2. FRET熔解：7种G4和5种发夹双链在96孔板实时监测荧光信号
3. UV熔解：3种G4和1种双链在500μL体系测定吸光度
4. 范特霍夫分析：通过两态模型计算△H和△S

研究结果

嗜盐微生物的G4富集现象
通过比较162种嗜盐古菌和52种嗜盐细菌，发现其平均G4频率达1.53/kbp（非嗜盐物种仅0.77/kbp）。典型物种Salinibacter ruber甚至出现5.01/kbp的峰值，提示G4可能参与盐适应机制。

锂离子的"中立者"身份

当K⁺维持在140 mM时，添加125 mM Li⁺使G4平均T_m升高3.5°C（图2A），颠覆了"Li⁺破坏G4"的传统认知。双链稳定性增幅更达4.9°C（图2B），表明Li⁺通过非特异性静电作用稳定核酸结构。

摩尔级盐度的结构加固效应

K⁺浓度从100 mM升至1 M时，G4的T_m跃升20°C（图3A），双链增幅13°C（图3B）。圆二色谱显示22CTA序列在2.5 M NaCl中呈现更典型的反平行构象，说明盐度可能重塑G4拓扑。

癌症微环境的离子失衡效应
模拟癌细胞K⁺下降至40 mM（Na⁺补偿至100 mM）时，G4稳定性平均降低9°C（图5A），但平衡常数仅变化0.7倍。范特霍夫分析揭示K⁺缺失使人类端粒序列F21T的折叠焓(△H)减少31 kJ/mol（表2），说明K⁺通过特异性配位稳定G4核心。

研究结论与意义
该研究首次建立嗜盐微生物G4图谱，证实高GC含量和高盐环境的协同作用促进G4进化。通过精确量化离子效应，证明：

1. 极端盐度通过增强π-π堆积和阳离子配位双重机制稳定G4
2. 癌细胞K⁺流失仅适度影响G4稳定性（△△G_310K=5.4 kJ/mol）
3. Li⁺应被重新定义为"G4中立阳离子"而非破坏剂

这项研究为极端环境生物适应机制提供分子解释，并为开发基于G4的抗菌策略和癌症表观遗传调控药物奠定理论基础。