Nucleic Acids Research
DNA四链结构的动态调控机制揭示细胞微环境对基因表达的影响

小赛推荐：

本文系统研究了分子拥挤环境对DNA i-基序结构稳定性与功能的影响，通过光谱分析和分子动力学模拟揭示了i-基序结构的构象变化与复制动力学的关联，为基因调控研究提供了新思路。

 

文献概述
本文Twisting tetraplex DNA: A strand dynamics regulating i-motif function in diverse molecular crowding environments，发表于Nucleic Acids Research杂志，回顾并总结了i-基序DNA在不同分子拥挤环境中的结构稳定性与功能变化，通过光谱分析、核磁共振（NMR）和分子动力学模拟揭示其构象动态变化及对DNA复制过程的影响。

背景知识
i-基序结构是富含胞嘧idine（C-rich）DNA序列形成的非经典四链结构，广泛存在于人类基因组的端粒和启动子区域，具有调控基因表达和复制的重要功能。已有研究表明其在细胞中的稳定性高于体外，但具体调控机制尚不明确。由于缺乏稳定结合i-基序的天然蛋白，分子环境如拥挤条件可能成为其功能的关键调节因素。本研究通过引入不同大小的聚乙二醇（PEG）和寡乙二醇（OEG）模拟细胞内分子拥挤环境，系统评估其对i-基序结构和功能的影响，揭示了结构稳定性与动力学变化之间的关联，为i-基序在基因调控中的作用提供了新的物理化学基础。

 

提供基因敲除小鼠模型构建服务，适用于研究非经典DNA结构在特定组织中的功能及调控机制，支持疾病模型构建和药物筛选研究。

了解更多

 

研究方法与实验
研究团队使用HPLC纯化的寡核苷酸构建人类端粒i-基序（hTelo iM）、Hif1a、ILPR和Bcl2基因的模板DNA，并通过紫外吸收光谱（UV）和圆二色光谱（CD）分析其结构稳定性。同时，通过核磁共振（NMR）与分子动力学（MD）模拟评估结构变化，特别是i-基序的扭曲角度变化。DNA复制实验则在不同分子拥挤条件下评估聚合酶反应的停滞效率，通过定量动力学模型分析结构变化对复制激活能的影响。

关键结论与观点

• PEG和OEG分子在i-基序形成中具有稳定或去稳定作用，其中≥6个乙二醇单元的分子显著稳定i-基序（ΔG°37 > 3.6 kcal/mol），而小于6个单元的分子则略有去稳定作用。
• NMR与MD模拟显示，较大PEG/OEG分子可诱导i-基序的扭曲构象，导致结构动力学变化，进而影响DNA复制的激活能，最大可提升两倍。
• 水活度与排除体积效应共同调控i-基序稳定性，其中水活度与稳定性呈正相关，而排除体积效应主要影响结构扭曲。
• 在不同细胞周期和组织环境下，i-基序的结构动力学可能通过微环境变化调控其功能，为非蛋白依赖的基因调控机制提供新线索。

研究意义与展望
该研究揭示了细胞微环境对i-基序DNA结构与功能的非蛋白依赖性调控机制，为基因表达调控、基因组稳定性研究及非经典DNA结构的生物学作用提供了新的物理化学解释。未来可进一步研究不同细胞器中i-基序的构象变化及其在端粒维持、转录调控中的动态功能，探索其作为基因表达传感器或药物靶点的潜力。

 

提供全基因组人源化小鼠模型，适用于模拟人类基因组的调控环境，支持非经典DNA结构在生理及病理条件下的研究。

了解更多

 

结语
本研究通过引入不同大小的聚乙二醇和寡乙二醇模拟细胞内分子拥挤环境，系统分析了i-基序DNA在不同条件下的稳定性、结构扭曲及复制动力学变化。研究发现，分子拥挤环境对i-基序的结构稳定性具有显著影响，其中较大分子的PEG/OEG诱导结构扭曲，提升复制激活能，而较小分子则略有去稳定作用。这一发现为细胞周期依赖的i-基序功能变化提供了新的物理化学基础，并提示非蛋白依赖的微环境调控机制可能在基因组功能调控中发挥重要作用。未来，该研究可拓展至活体模型中i-基序的动态调控，为基因组稳定性与疾病相关结构的研究提供新方向。

 

Shuntaro Takahashi, Saptarshi Ghosh, Marko Trajkovski, Janez Plavec, and Naoki Sugimoto. Twisting tetraplex DNA: A strand dynamics regulating i-motif function in diverse molecular crowding environments. Nucleic Acids Research.