综述：利用单分子方法研究G-四联体、R-loop结构以及蛋白质之间的相互作用

《Current Opinion in Structural Biology》：Single-molecule approaches to study G-quadruplex, R-loop, and protein interactions

本文综述了G4结构的功能及其与G4结合蛋白的相互作用，重点探讨单分子技术揭示的G4在R-loop转录中的拓扑调控机制及G4解旋酶的作用动力学。

　　

Sunghyun Cho|Sua Myong

哈佛医学院生物与生物医学科学系，美国马萨诸塞州波士顿市02115

G-四聚体（G4）是一种非典型的核酸结构，由堆叠的鸟嘌呤（G）四核苷酸对通过Hoogsteen氢键连接而成，并由单价阳离子稳定。由于富含鸟嘌呤的序列具有形成G4结构的倾向，DNA和RNA中的G4结构在细胞中广泛存在。先前的研究表明，G4结构的独特性和极高的稳定性可以作为酶转运的物理障碍，并调节核酸的拓扑结构。此外，G4结合蛋白（G4BPs），包括G4解旋酶，可以与G4结构相互作用并调节其稳定性，从而参与转录和翻译的调控。本综述重点介绍了用于探测G4与G4BP相互作用的单分子方法，以及最近在R-loop结构和转录过程中阐明G4功能的进展。

引言

G-四聚体（G4s）是由富含鸟嘌呤的序列自组装形成的独特核酸二级结构，这些序列通过Hoogsteen氢键稳定[1,2]。单价阳离子（如钾或钠）占据四核苷酸对的中心通道，并与鸟嘌呤碱基的O6原子配位，进一步稳定该结构[3, 4, 5]（图1a）。G4s可以在DNA和/或RNA中形成，既可以在分子内部也可以在分子之间形成[3,4,6]（图1b）。DNA G4（dG4）可以采取多种拓扑构象，包括平行、反平行和混合构象。相比之下，RNA G4（rG4）和RNA-DNA杂合G4结构主要采取平行构象。dG4s在许多基因组区域中被发现，如端粒、基因启动子和复制起点，表明它们参与染色质组织和转录调控[6, 7, 8, 9]。由于2′-羟基的存在，rG4s比dG4s更稳定且更紧凑，经常在细胞质和核质中被检测到，这表明它们在转录和翻译调控中发挥作用[4,5,10]。

在过去的几十年里，G4s通过与G4结合蛋白（G4BPs）的相互作用成为多种细胞过程的关键调节因子，这些蛋白可以识别、稳定或解除这些结构[11]。本综述重点介绍了通过单分子方法取得的G4研究进展，特别关注G4解旋酶的结合和解旋动力学，以及G4结构在R-loop介导的转录调控中的拓扑作用。通过整合结构学、生物化学和单分子研究的视角，我们探讨了G4s如何影响核酸代谢，以及机制见解如何为转录和翻译调控提供信息。

章节摘录

G4稳定性和蛋白质相互作用

G4结构可以在单链DNA或RNA中形成，这使得dG4s和rG4s在DNA复制、RNA转录和蛋白质翻译过程中普遍存在[12]。它们独特的拓扑结构和极高的热稳定性使它们能够作为物理障碍，阻碍聚合酶和核糖体的移动。因此，需要专门的G4解旋酶来解开这些结构，确保复制和转录的顺利进行[13,14]。为了表征G4

G4和R-loop

R-loop是由模板DNA链和新生RNA之间的DNA-RNA杂合体以及一条移位的非模板（NT）单链DNA链组成的三链核酸结构[32,33]。转录因子结合和RNA聚合酶（RNAP）活性会在启动子区域诱导转录泡的形成，而富含GC的模板链在转录过程中特别容易形成扩展的R-loop[34]。当暴露的富含GC的NT链包含潜在

未来工作：RNA G4

RNA比DNA具有更大的构象灵活性，能够采取更广泛的二级和非典型结构[45,46]。富含鸟嘌呤的RNA序列可以折叠成rG4s，这些结构比其DNA对应物（dG4s）更稳定且更紧凑。许多研究探讨了rG4s在细胞过程中的功能作用[4,5]。例如，piRNA中的rG4形成会干扰HIWI的结合并影响基因沉默；NEAT1中的rG4s可以招募NONO以促进paraspeckle的形成

结论

G4s是稳定的、非典型的核酸结构，在DNA和RNA的复制、转录和翻译过程中形成，它们作为聚合酶和核糖体的物理障碍。单分子技术在揭示G4s与其结合伙伴之间的动态相互作用方面发挥了关键作用，揭示了不同背景下的机制细节。基于荧光和力的方法阐明了G4结合蛋白（G4BPs）的作用机制

数据可用性

本文研究未使用任何数据。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了RF1 NS113636-01、R01 AG071326-01、R01 GM149729-01和R01 CA207342-06等项目的资助。