我校衰老機制研究與轉化應用廳市共建山西省重點實驗室

培育基地在真核活細胞基因組中發現數量巨大的

主流DNA:RNA 雜合 G-四鏈體結構

基因組不僅編碼了基因，同時也編碼了調控元件。這些調控元件可以劃分為基于序列和基于結構兩大類。G-四鏈體（G4）是一種在富含鳥嘌呤（G）的核酸中形成的四股鏈結構，近20—30年來逐漸受到科研界的關注。研究發現G4在轉錄，復制等細胞活動中起重要作用，并參與許多病理過程。可以說作為一種結構調控元件，G4結構是基因組學的關鍵組成部分。

G4結構由四段G-tract組成。例如人染色體端粒DNA的4個TTAGGG形成的G4是研究最多的G4結構。據報道人基因組中具有4段相鄰 G-tract 的序列有37萬之多，而且富集在轉錄起始位點兩側，說明它們與轉錄的密切關系。G4的研究歷史可追溯至100多年前。歷史上研究的G4基本上都是分子內的G4，即4段 G-tract 均來自一個DNA或RNA鏈（圖1，1988年）。學術界對G4結構形式的認知主要來自體外實驗。然而，體內環境與體外環境截然不同，了解活細胞中G4的真實生理結構和形成機制具有重要意義，也是一個挑戰。

Dell'Oca MC, et al. (2024) Int. J. Mol. Sci. 25:3162.

衰老機制研究與轉化應用廳市共建山西省重點實驗室培育基地近期完成的工作發現在活酵母基因組上可以形成由 DNA:RNA共同組成的hybrid G4（hG4）（圖2）。該研究利用聚合酶遇到G4時的暫停特性，以天然DNA復制中的岡崎片段（Okazaki fragment, OKF）作為探針，并結合其他技術，在全基因組尺度上檢測到了hG4結構的形成。

該工作通過分析OKF 3’末端的停滯峰，揭示了基因組G4的若干新特征。首先，基因組中的一個GG tract即可形成hG4（圖3左）。其次，即使一段DNA有四段相鄰G-tract可以獨立形成一個分子內DNA G4（dG4），它仍然更傾向于形成hG4（圖3右）。三是酵母基因組中的 G4 位點數從傳統的38個增加到了近60萬個，增加了1.5萬倍。基因組中大量的1段，2段，3段，原來認為不能形成G4的 G-tract，借助于來自RNA的G-tract也都可以形成G4。

這一工作揭示了過去長期被忽略但卻又是基因組中的最優勢的一種G4結構，在數量、結構形式、形成機制、分布和功能作用等方面帶來了對基因組G4的全新認識。一至三段G-tract 也可以形成G4使基因組中的G4位點增加了數個數量級。這個特征解釋了G4的逐步進化選擇。hG4位點的數量之多，使hG4成為基因組中豐度最高的結構元件。G4中不同DNA:RNA的 G-tract比例，hG4與dG4結構間的競爭，極大豐富了G4的結構多樣性和相關功能。特別是 RNA的參與將基于基因組G4結構的調控與轉錄密切偶聯起來，揭示了對G4與轉錄的新特征。這項工作的完成還建立了一個在天然生理條件下檢測G4形成及其結構形式的方法。審稿人認為這項工作是一個hG4方面的 groundbreaking study；為基因組的組織和調控open up new avenues；在G4領域具有far-reaching implications。

該工作由實驗室的任晨霞、段瑞芳和王佳在譚錚的指導下完成，受到了國家自然科學基金（22037004，22377009）和山西省“1331 工程”項目的支持。論文以‘Dominant and Genome-Wide Formation of DNA:RNA Hybrid G-Quadruplexes in Living Yeast Cells’為題，已在《美國國家科學院院刊》（Proc. Natl. Acad. Sci. USA）發表。

（鏈接： https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2401099121）

（老年健康研究中心  科學技術部供稿）