人ALOX5基因启动子区d(CGGGGG)6C序列的Na+依赖性G-四链体拓扑转换研究

《Results in Chemistry》：Na+ specific structural transition in d(CGGGGG) 6C: a promoter segment of human arachidonate 5-lipoxygenase (ALOX5) gene

本研究针对人5-脂氧合酶（ALOX5）基因启动子区GC富集序列Lipo37 [d(CGGGGG)6C]的结构多态性，通过生物信息学、凝胶电泳、圆二色光谱和紫外热变性等技术，首次发现该序列在低钠离子（Na+）浓度下形成反平行G-四链体（G-quadruplex, GQ），而在高Na+浓度下可完全转换为平行拓扑结构，且此浓度依赖性转换现象为Na+特有。该发现揭示了非端粒基因组序列的离子响应性结构转换机制，为GQ在基因调控及纳米生物技术中的应用提供了新视角。

　　

在人类基因组中，GC富集的DNA序列具有形成非典型二级结构的潜力，其中G-四链体（G-quadruplex, GQ）因其在基因调控中的关键作用而备受关注。这类结构由鸟嘌呤通过Hoogsteen氢键形成G-四分体平面堆叠而成，其构象和稳定性受金属离子、链极性及溶液环境等多种因素影响。特别是在基因启动子区域，GQ结构的形成可能通过调控转录因子结合而影响基因表达，但其结构转换的具体机制及其生物学意义尚待深入探索。

近期发表于《Results in Chemistry》的一项研究，聚焦于人5-脂氧合酶（ALOX5）基因启动子区的一段保守GC富集序列Lipo37 [d(CGGGGG)₆C]。该基因编码的酶参与炎症介质白细胞三烯的合成，且与多种癌症及慢性炎症疾病相关。研究人员通过多学科技术手段，系统揭示了Lipo37在钠离子（Na⁺）浓度变化下的独特结构转换行为，为理解非端粒基因组区域的GQ动态调控机制提供了新证据。

研究团队首先采用生物信息学工具（如AliBaba 2.1和NCBI BLAST）分析Lipo37的生物学背景，发现该序列位于ALOX5基因启动子区（染色体10: +45,374,101–+45,374,137），且与SP1、Krox-20等多个转录因子结合位点相邻。随后，通过非变性凝胶电泳验证Lipo37在100 mM Na⁺或K⁺条件下均形成分子内GQ结构。圆二色光谱（CD）分析显示，在低Na⁺浓度（50–100 mM）下，Lipo37呈现反平行GQ特征（正峰于295 nm，负峰于260 nm）；而当Na⁺浓度升高至1 M时，其CD谱图转变为典型平行GQ信号（正峰于265 nm，负峰于240 nm），并在250 nm处出现等吸收点，表明存在两种构象的动态平衡。值得注意的是，钾离子（K⁺）和锂离子（Li⁺）均未诱导类似浓度依赖性转换，且在分子拥挤剂（如PEG）存在时，Lipo37也优先形成平行GQ。紫外热变性实验进一步证实，高Na⁺浓度下形成的平行GQ具有更高热稳定性（熔解温度>80°C），可能归因于序列中鸟嘌呤-胞嘧啶碱基对的额外氢键稳定作用。

3.1. 生物信息学分析

通过数据库比对和转录因子结合位点预测，Lipo37被定位为ALOX5基因启动子区的完全保守序列，且与细胞生长、分化及肿瘤抑制相关的转录因子（如SP1、WT1）相邻，提示其GQ结构可能参与基因转录调控。

3.2. 非变性凝胶电泳

电泳结果显示Lipo37在Na⁺或K⁺环境中均以单体紧凑结构存在，迁移速率慢于线性序列，排除了多分子聚集的可能性，支持其形成分子内GQ。

3.3. 圆二色光谱分析

CD滴定实验明确揭示了Na⁺浓度依赖的构象转换：低浓度时以反平行GQ为主，高浓度时完全转为平行拓扑。这种转换在K⁺或Li⁺中未出现，且与分子拥挤环境下的构象偏好一致，说明Na⁺的特异性作用可能与离子水合能及DNA凝聚效应相关。

3.4. 紫外热变性

热稳定性分析表明，平行GQ（高Na⁺或K⁺环境）的热稳定性显著高于反平行形式，可能与离子协调几何及碱基堆叠模式有关。

本研究首次报道了非端粒基因组序列Lipo37在Na⁺浓度变化下的拓扑转换现象，丰富了GQ结构多态性的知识库。这种离子依赖性构象切换可能通过影响转录因子结合而调控ALOX5基因表达，为相关疾病（如白血病、肺癌）的机制研究提供新思路。此外，该序列的可控结构转换特性在DNA纳米技术领域具有应用潜力，例如作为动态分子开关或功能材料组件。尽管体外实验环境与细胞内真实条件存在差异，但本研究为理解基因组结构动态调控提供了重要模型，未来可结合细胞模型进一步验证其生物学功能。