Nature子刊：眼见为实！首次在人类活细胞中“看见”DNA四螺旋，而且癌细胞中更多

作者|nagashi 来源|BioWorld(ID：ibioworld)

导读：四螺旋DNA不仅不会让你变超人，还会让你得癌症？英国剑桥大学等研究机构的研究人员首次实现活细胞四螺旋DNA的单分子可视化，并对其功能进行解析！

自然界中，除了少数RNA病毒，绝大多数的生物均以DNA（脱氧核糖核酸）作为遗传物质。基因的多样性来自DNA中4种碱基的数目及其排列顺序，不仅如此，DNA的空间结构也会影响着基因的表达。

1953年4月25日，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克、罗莎琳德·富兰克林、威尔金斯等人同时在 Nature 杂志发表了3篇论文，首次揭开DNA的结构之谜，人类正式开启了分子生物学时代。自此之后，标志性的双螺旋结构便成为公众对DNA的默认印象。

然而，DNA作为最主要的遗传物质，就只有这一种结构吗？

实际上，DNA还能以其他的结构形式存在，例如三螺旋、四螺旋等，这些特殊的DNA结构也常常出现在某些科幻电影和小说中，以此解释外星生命非比寻常的能力。然而，科学证明，这些特殊的DNA结构并不神秘，而且存在于每个人体内。

对此，科学家推测这些“额外”的结构形式可能在DNA编码被“读取”的时间和方式上扮演着重要的角色。

近日，剑桥大学、伦敦帝国理工学院和利兹大学等研究机构在 Nature Chemistry 杂志上联合发表了题为：Single-molecule visualization of DNA G-quadruplex formation in live cells 的研究论文。

该研究发明了一种荧光标记，它可以附着在人类活细胞的DNA G-四联体（G4s）上，这使得研究人员第一次观察到了这种特殊的DNA结构是如何形成的，以及它在或细胞中发挥了什么样的功能。

DNA四螺旋结构，因富含鸟嘌呤（G）又被称为DNA G-四联体（G4s）。

早在2018年，澳大利亚Garvan医学研究所的研究人员就曾在 Nature Chemistry 上发表过题为：I-motif DNA structures are formed in the nuclei of human cells 的研究论文，这也是人类第一次在活细胞内确认DNA四螺旋结构的存在——i-motif。

但值得注意的是，之前有关DNA G-四联体（G4s）的研究报道中所使用的观察技术往往需要杀死细胞或使用高浓度的化学探针，从而观察G4s的形成。因此，直到现在，G4s在正常活细胞中的实际存在和动态变化仍未被追踪到。

此前，研究团队使用了抗体和小分子，它们可以找到并附着在G4s上，但需要非常高的浓度。这意味着探针分子本身就可能会破坏DNA，导致后者形成G4s，而不是检测天然形成的G4s。

在此项研究中，研究团队发明了一种新的、非常“明亮”的荧光探针分子——SiR-PyPDS，并且这种荧光分子被设计成可以非常容易地附着在G4s上。因此，研究人员可以通过单分子显微镜观察到比以前浓度低1000倍的新探针。

探针数量少意味着研究团队并不指望对细胞中的每一个G4s进行成像观察，而是要求可以识别和追踪单个G4s，以此了解它们的基本生物学功能，并且不影响它们在细胞中的总体普遍性和稳定性。

对此，文章的主要作者、新荧光标记方法的开发者 Aleks Ponjavic 博士说道：“我们的探针与G4结合仅几毫秒而不影响其稳定性，这使得我们能够在不受外界影响的情况下研究G4在自然环境中的行为。”

研究人员发现，G4s的形成和消散速度非常快，这表明它们的形成只是用来执行某种特定的功能，如果持续时间过长，反而可能对正常的细胞过程产生毒性。

Aleks Ponjavic等推测DNA形成G4s是为了暂时保持它的开放状态，并促进转录等过程——DNA解码并表达相应的蛋白。

这意味着G4s是一种“基因表达”的结构形式，即激活DNA中的部分遗传密码。

更令人惊讶的是，研究团队发现G4s似乎与癌症相关基因有更多的关联性——在癌细胞中检测到更多的G4s。研究人员表示，通过对活细胞中G4s的单分子可视化技术，他们可以追踪G4s在特定基因中的作用以及它们在癌症中的表达方式。

研究的主要领导者之一Marco Di Antonio博士评论道：“现在我们可以实时跟踪细胞中的G4s，我们可以直接了解它们的生物学作用是什么，这是基础生物学的一个新领域，可能为癌症等疾病的诊断和治疗开辟新的途径。”

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41557-020-0506-4

编者按：本文转载自微信公众号：BioWorld(ID：ibioworld)，作者：nagashi