DNA 5mC甲基化抑制基因组中G-四链体结构的形成及其在表观遗传调控中的作用

本研究针对基因组中G-四链体(G4)形成机制这一关键科学问题，通过整合多组学分析、DNMT1基因编辑和甲基化抑制剂处理等技术，首次揭示了DNA 5mC甲基化通过直接抑制G4结构形成来调控基因转录的表观遗传新机制。研究发现基因组甲基化水平与G4丰度呈显著负相关，DNMT1敲除导致的低甲基化状态可显著促进G4形成并激活邻近基因表达，为理解DNA甲基化与G4结构的相互作用及其在基因表达调控中的协同作用提供了重要理论依据。

　　

在生命活动的精密调控网络中，DNA的二级结构如同隐藏的密码，其中G-四链体(G-quadruplex, G4)因其独特的四链结构和重要的调控功能备受关注。G4是由富含鸟嘌呤的序列通过Hoogsteen氢键形成的四链结构，广泛存在于基因启动子区，参与调控包括c-MYC、KRAS等关键基因的表达。然而令人困惑的是，基因组中预测的G4形成序列只有少部分能在细胞内真正折叠成G4结构，这种选择性形成的机制一直是未解之谜。与此同时，DNA甲基化作为最重要的表观遗传修饰之一，与G4在基因组中的分布存在显著负相关，但两者之间的因果关系尚不明确。

华南师范大学生命科学学院昆虫科学与技术研究所的研究团队在《Genome Biology》发表的研究成果，首次系统揭示了DNA 5mC甲基化对G4形成的抑制作用及其分子机制。研究人员采用多组学联用策略，整合公共数据库资源，结合甲基化抑制剂处理、DNMT1基因敲除和回补实验，通过全基因组甲基化测序(WGBS)、G4 CUT&Tag、ATAC-seq和RNA-seq等技术，从基因组水平到单个分子层面全面解析了DNA甲基化与G4结构的相互作用关系。

研究发现基因组甲基化水平与G4丰度呈现显著负相关。在HeLa和K562细胞中，高甲基化基因启动子区的G4信号显著低于低甲基化基因。直肠癌组织的免疫荧光结果显示，癌组织中基因组整体甲基化水平降低的同时G4信号显著增强。通过甲基化抑制剂5-Aza-dC和RG108处理293T和SK-Hep-1细胞，或利用CRISPR/Cas9技术构建DNMT1敲除细胞系，均观察到甲基化水平下降伴随G4信号增强的现象，而回补表达DNMT1则可逆转这一效应。

染色质可及性分析表明，DNA甲基化对G4形成的抑制作用独立于染色质状态。在293T野生型和DNMT1敲除细胞中，即使染色质可及性相似的区域，低甲基化的DNMT1敲除细胞仍表现出更强的G4信号。体外实验通过圆二色谱(CD)和电泳迁移率变动分析(EMSA)证实，hPDGFR-β、hVEGF和BmPOUM2基因启动子区G4序列的5mC修饰直接抑制了G4结构的形成，并减弱了G4与结合蛋白LARK的相互作用。

RNA-seq分析显示，DNMT1敲除导致的低甲基化状态使2645个基因表达上调，这些基因启动子区的G4信号显著增强。对hPDGFR-β和hVEGF基因的研究发现，G4稳定剂吡啶斯他汀(PDS)或甲基化抑制剂处理均可促进其表达，表明DNA甲基化可能通过调控G4形成影响基因转录活性。

这项研究的重要发现包括：1) 首次在基因组水平证实DNA 5mC甲基化直接抑制G4结构的形成；2) 揭示这种抑制作用独立于染色质状态，在开放和闭合染色质区域均存在；3) 阐明DNA甲基化通过调控G4形成影响基因表达的新机制；4) 为理解表观遗传调控网络提供了新的视角。

该研究不仅解决了G4选择性形成机制这一长期存在的科学问题，还为理解DNA甲基化与基因组结构相互调控提供了新思路。在癌症等疾病中观察到的基因组低甲基化状态可能导致G4形成异常，进而影响致癌基因的表达，这一发现为疾病机制研究和治疗靶点开发提供了重要线索。研究建立的DNA甲基化-G4-基因表达调控轴，丰富了我们对表观遗传调控复杂性的认识，为后续功能研究和临床应用奠定了理论基础。