我校衰老機(jī)制研究與轉(zhuǎn)化應(yīng)用廳市共建山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

培育基地在真核活細(xì)胞基因組中發(fā)現(xiàn)數(shù)量巨大的

主流DNA:RNA 雜合 G-四鏈體結(jié)構(gòu)

基因組不僅編碼了基因，同時(shí)也編碼了調(diào)控元件。這些調(diào)控元件可以劃分為基于序列和基于結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，近20—30年來(lái)逐漸受到科研界的關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)G4在轉(zhuǎn)錄，復(fù)制等細(xì)胞活動(dòng)中起重要作用，并參與許多病理過(guò)程?？梢哉f(shuō)作為一種結(jié)構(gòu)調(diào)控元件，G4結(jié)構(gòu)是基因組學(xué)的關(guān)鍵組成部分。

G4結(jié)構(gòu)由四段G-tract組成。例如人染色體端粒DNA的4個(gè)TTAGGG形成的G4是研究最多的G4結(jié)構(gòu)。據(jù)報(bào)道人基因組中具有4段相鄰 G-tract 的序列有37萬(wàn)之多，而且富集在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)兩側(cè)，說(shuō)明它們與轉(zhuǎn)錄的密切關(guān)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(nèi)的G4，即4段 G-tract 均來(lái)自一個(gè)DNA或RNA鏈（圖1，1988年）。學(xué)術(shù)界對(duì)G4結(jié)構(gòu)形式的認(rèn)知主要來(lái)自體外實(shí)驗(yàn)。然而，體內(nèi)環(huán)境與體外環(huán)境截然不同，了解活細(xì)胞中G4的真實(shí)生理結(jié)構(gòu)和形成機(jī)制具有重要意義，也是一個(gè)挑戰(zhàn)。

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

衰老機(jī)制研究與轉(zhuǎn)化應(yīng)用廳市共建山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地近期完成的工作發(fā)現(xiàn)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(shí)的暫停特性，以天然DNA復(fù)制中的岡崎片段（Okazaki fragment, OKF）作為探針，并結(jié)合其他技術(shù)，在全基因組尺度上檢測(cè)到了hG4結(jié)構(gòu)的形成。

該工作通過(guò)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(gè)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(dú)立形成一個(gè)分子內(nèi)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(diǎn)數(shù)從傳統(tǒng)的38個(gè)增加到了近60萬(wàn)個(gè)，增加了1.5萬(wàn)倍?；蚪M中大量的1段，2段，3段，原來(lái)認(rèn)為不能形成G4的 G-tract，借助于來(lái)自RNA的G-tract也都可以形成G4。

這一工作揭示了過(guò)去長(zhǎng)期被忽略但卻又是基因組中的最優(yōu)勢(shì)的一種G4結(jié)構(gòu)，在數(shù)量、結(jié)構(gòu)形式、形成機(jī)制、分布和功能作用等方面帶來(lái)了對(duì)基因組G4的全新認(rèn)識(shí)。一至三段G-tract 也可以形成G4使基因組中的G4位點(diǎn)增加了數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。這個(gè)特征解釋了G4的逐步進(jìn)化選擇。hG4位點(diǎn)的數(shù)量之多，使hG4成為基因組中豐度最高的結(jié)構(gòu)元件。G4中不同DNA:RNA的 G-tract比例，hG4與dG4結(jié)構(gòu)間的競(jìng)爭(zhēng)，極大豐富了G4的結(jié)構(gòu)多樣性和相關(guān)功能。特別是 RNA的參與將基于基因組G4結(jié)構(gòu)的調(diào)控與轉(zhuǎn)錄密切偶聯(lián)起來(lái)，揭示了對(duì)G4與轉(zhuǎn)錄的新特征。這項(xiàng)工作的完成還建立了一個(gè)在天然生理?xiàng)l件下檢測(cè)G4形成及其結(jié)構(gòu)形式的方法。審稿人認(rèn)為這項(xiàng)工作是一個(gè)hG4方面的 groundbreaking study；為基因組的組織和調(diào)控open up new avenues；在G4領(lǐng)域具有far-reaching implications。

該工作由實(shí)驗(yàn)室的任晨霞、段瑞芳和王佳在譚錚的指導(dǎo)下完成，受到了國(guó)家自然科學(xué)基金（22037004，22377009）和山西省“1331 工程”項(xiàng)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(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（Proc. Natl. Acad. Sci. USA）發(fā)表。

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

（老年健康研究中心  科學(xué)技術(shù)部供稿）