DNA二级结构在癌症中的关键作用：G-四链体、i-Motif与表观遗传修饰的交互调控

《Scientific African》：DNA Secondary Structures in Cancer: The Interplay of G-Quadruplexes, i-Motifs, and Epigenetic Modifications

G-四链体（G-quadruplexes，G4s）和i-Motif（i-motifs，iMs）分别是富含鸟嘌呤和富含胞嘧啶的序列中形成的非经典核酸结构。它们存在于端粒、非翻译区以及癌症相关基因的启动子中，其折叠可影响转录、复制、翻译、端粒维持和基因组稳定性。本综述总结了G4和iM如何作为癌基因网络中的动态调控元件发挥作用，并评估了配体、肽和蛋白质介导的调控这些结构以用于癌症治疗的方法。特别强调了启动子G4/iM、端粒结构、表观遗传调控、选择性挑战以及在充分利用这些靶点进行治疗前必须解决的转化局限性。

DNA不仅是遗传信息的储存库，还能在特定序列和表观遗传修饰的影响下形成多种非经典二级结构，其中G-四链体（G-quadruplex，G4）和i-Motif（i-motif，iM）在癌症相关基因调控中扮演重要角色。G4由富含鸟嘌呤的序列形成，iM由富含胞嘧啶的序列形成，二者常见于端粒、基因启动子及非翻译区，参与转录、复制、翻译、端粒维持和基因组稳定性等过程。然而，目前对这些结构的动态调控机制认识尚不全面，靶向这些结构的药物存在选择性差、递送困难和毒性等问题，限制了其临床转化。因此，系统梳理G4/iM的生物学功能和调控网络，对于开发新型癌症治疗策略具有重要意义。

研究人员在这篇综述中总结了G4和iM在癌基因网络中的动态调控作用，并评估了配体、肽和蛋白质介导的靶向方法。综述首先介绍了G4的结构基础，包括G-四分体堆叠、拓扑类型（平行、反平行和杂交型）以及离子对其稳定性的影响。随后，综述探讨了G4配体的设计原则，即通过平面芳香体系与末端G-四分体进行π-π堆叠，并借助侧链与磷酸骨架发生静电相互作用。研究人员还总结了不同离子对G4结构的影响，如K⁺最有利于稳定平行G4，Na⁺则倾向于反平行构象。在折叠与解折叠动力学方面，综述指出单分子技术、核磁共振和分子动力学模拟揭示了折叠中间态的存在，而解旋酶如FANCJ、PIF1等负责解开G4结构。此外，多种蛋白如核仁素（NCL）、复制蛋白A（RPA）和人端粒结合蛋白POT1以不同方式调节G4的形成与解开。

该综述并未进行新的实验，而是通过文献检索和整合，归纳了当前研究G4/iM的关键技术方法。这些方法包括：圆二色光谱（CD）用于判断G4拓扑；核磁共振（NMR）解析原子级结构；荧光共振能量转移（FRET）和单分子技术（如smFRET、光镊）实时监测折叠/解折叠；紫外光谱测定热稳定性；X射线晶体学获得高分辨率结构；分子动力学模拟计算折叠路径；质谱分析配体结合；电子顺磁共振（EPR）探测构象动力学。在细胞内功能研究方面，综述引用了CRISPR基因组编辑、染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）和特异性抗体（如iMab）等技术。这些多维度方法共同促进了G4/iM生物学机制的认识。

### 研究结果

#### 1. G-四链体的生物学意义
- 结构描述：综述首先阐述了G4的结构基础。G4由四个鸟嘌呤通过Hoogsteen氢键形成G-四分体，并在一价阳离子（如K⁺、Na⁺）稳定下堆叠而成。通过核磁共振（NMR）和圆二色光谱（CD）研究，确定了平行、反平行和杂交型三种主要拓扑。
- DNA/RNA四链体结合剂：综述总结了G4配体设计原则。平面芳香配体通过π-π堆叠结合末端G-四分体，带正电荷的侧链增强静电作用。研究发现，折叠体和短肽（如KR12C）可提高选择性，抑制c-Myc启动子G4活性。
- 离子对G4结构的影响：电生理和结构研究表明，K⁺是最有效的稳定离子，Na⁺可诱导反平行构象，而Sr²⁺等二价离子插入核心更强，增强稳定性。
- 折叠/解折叠过程：单分子荧光共振能量转移（smFRET）和时间分辨光谱揭示了折叠中间态的存在。解旋酶如FANCJ、PIF1可解开G4，而RPA等蛋白促进解折叠。
- 蛋白相互作用：综述将G4相互作用蛋白分为结合稳定型（如MyoD、TFAM）、促进形成型（如NCL、Topo I）和解旋型（如BLM、WRN、POT1），它们共同调控G4功能。

#### 2. 人端粒G-四链体
人端粒重复序列（TTAGGG）在K⁺条件下形成多种杂交型G4。NMR研究表明，杂交-1和杂交-2结构具有不同的环排列。配体如BRACO19、RHPS4可稳定端粒G4，抑制端粒酶活性，诱导端粒去保护及DNA损伤反应，从而抑制癌细胞增殖。

#### 3. 癌基因启动子中的G-四链体
- c-Kit：启动子区有两个G4形成位点。配体如蒽醌衍生物AQ1、铂配合物等可稳定c-Kit G4，抑制其转录，降低c-Kit受体表达。
- Bcl-2：启动子P1富含GC，其G4结构为混合杂交型。Pyridostatin类似物、钌配合物等可稳定该G4，下调Bcl-2表达，诱导凋亡。
- c-Myc：NHE III(1)区存在多种G4构象。稳定G4的配体（如TMPyP4、双三唑咔唑衍生物）抑制c-Myc转录；而NM23-H2结合单链后可解除抑制。CRISPR研究显示，G4结构本身是转录激活所必需的。
- VEGF、RET、K-RAS、NEAT1：这些基因启动子G4均被证实可被小分子配体稳定，从而抑制基因表达，如quindoline衍生物抑制VEGF转录，NSC194598抑制RET，小檗碱等稳定K-RAS G4。

#### 4. G-四链体的其他生物学意义
除了基因调控，G4还参与端粒维持、转录调控和DNA修复。例如，POT1蛋白结合单链端粒并解除G4，而G4配体可干扰POT1结合，导致端粒功能异常。此外，G4稳定剂激活PARP1，参与DNA损伤信号传导；FANCJ解旋酶解开G4以避免复制应激。

#### 5. i-Motif的结构、分类和生物学意义
iM由胞嘧啶的半质子化配对（C-C⁺）稳定，在酸性至近生理pH下形成。综述根据环长将其分为两类：Class I短环（如VEGF、RET、Rb基因）和Class II长环（如c-Myc、Bcl-2、PDGFA）。表观遗传修饰调节iM稳定性：5fC和5caC降低稳定性，5mC增强稳定性。体内抗体iMab染色显示，iM形成仅见于约1%预测位点，并受细胞周期和pH调控。

#### 6. G-四链体与病毒
多种病毒基因组中存在G4。例如，KSHV复制被PheDC3抑制；HSV-1复制被c-exNDI抑制；SV40解旋酶活性被PDI衍生物抑制。BRACO-19可稳定HHV-6A/B端粒G4，破坏端粒酶介导的延长。这些发现提示G4可作为抗病毒治疗靶点。

### 讨论与结论

讨论部分指出，尽管G4/iM在癌症治疗中显示出潜力，但实现临床转化仍需突破选择性、递送和毒性三大障碍。研究人员强调了开发启动子级别选择性配体、定量靶点占据检测、全基因组脱靶谱分析以及肿瘤特异性递送系统的必要性。结论部分翻译为：DNA G4结合剂正成为一类有前景的抗癌药物，但其治疗价值取决于解决关键的选择性、递送和毒性挑战。G4结构可通过平面芳香分子诱导形成并稳定，且由多种蛋白质和药物调控，从而产生功能多样性。尤其值得关注的是，与AIDS/癌症相关病毒相关的G4研究日益增加，凸显了其在病毒和癌症研究中的潜力。针对G4结合剂、癌基因启动子中G4的调控以及G4与特定蛋白和化合物相互作用的研究，正在为新型治疗方法铺平道路。这些进展对癌症等疾病的治疗具有重大前景，使G4研究成为一个令人兴奋且快速发展的领域。