我們對人體的認知一直不停地被刷新。

如果沒有意外的話，我們的分子生物學教材可能又要修改了。

科學家對生理條件下人體的DNA結構又有了新的發(fā)現(xiàn)。之前認為不可能存在于人體內(nèi)的、違反常識的DNA二級結構，澳大利亞Garvan醫(yī)學研究所的研究人員在人體內(nèi)看到了。這項研究成果刊登在了近期的《自然化學》上。

1953年，在歷經(jīng)多年的努力之后，沃森和克里克提出DNA右手雙螺旋結構模型，解開生命之秘，開啟了分子生物學時代。他們之所以能提出雙螺旋結構，是因為他們發(fā)現(xiàn)，在自然界中腺嘌呤（A）是與胸腺嘧啶（T）配對的，鳥嘌呤（G）是與胞嘧啶（C）配對的。正是這種穩(wěn)定可靠的堿基互補配對原則，讓雙螺旋結構有了根基。

不過，就在沃森和克里克領走諾獎沒多久，一些科學家在實驗室發(fā)現(xiàn)了不尋常的現(xiàn)象：在那些富含GC的DNA區(qū)域，本該互補配對的G和C，在特定的實驗條件下牽起了同類的“手”，變成了G和G配對，C和C配對。

這種違反堿基互補配對原則的配對方式，讓DNA有了非比尋常的的結構。DNA單鏈上的G和G配對，就形成了G-四鏈體（G-quadruplex）；C與C配對，則構成了i-motif。

稍有分子生物學基礎的人，不難想到：根據(jù)DNA雙螺旋結構的堿基互補配對原則，如果一條鏈能形成G-四鏈體，那么只要條件合適，它對面的那條鏈理論上就可以形成i-motif。

不過一直以來科學家都是在細胞外且特定的實驗條件下才能發(fā)現(xiàn)它們。例如，形成穩(wěn)定的G-四鏈體需要環(huán)境中有充足的鋰離子、鈉離子或者鉀離子[7]；而i-motif的形成需要一個偏酸性的環(huán)境；而且神奇的是，它能隨著環(huán)境酸堿度的變化，快速形成和展開。

那么，它們這種隨周遭環(huán)境變化的能力有什么用？人體會形成這種結構嗎？如果有，對人體有啥影響？

如果你拿著G-四鏈體和i-motif的DNA序列，與人基因組對比一遍，就不難發(fā)現(xiàn)，在人體基因組內(nèi)至少有30萬個DNA片段可以形成G-四鏈體和i-motif序列]。

其中，40%基因的調(diào)控區(qū)含有能形成G-四鏈體和i-motif的DNA序列，巧的是，癌基因的啟動子區(qū)域尤甚?？茖W家已經(jīng)證實，在特定的條件下Rb、RET、VEGF、c-Myc和bcl-2等癌基因的啟動子區(qū)域可以形成G-四鏈體和i-motif。

以癌基因bcl-2為例。有研究認為，如果bcl-2基因的啟動子里形成了G-四鏈體和i-motif，會阻斷抑制bcl-2基因表達的蛋白與bcl-2基因啟動子結合，這就促進了癌基因bcl-2的表達，導致癌癥的形成或進展[17，18]。

此外，端粒DNA也有形成G-四鏈體和i-motif的能力[19]。

不過一直以來，科學家缺少可以直接在細胞內(nèi)檢測G-四鏈體和i-motif結構的手段。因此，雖然他們知道G-四鏈體和i-motif長啥樣，也知道人體有形成二者的DNA序列，就是沒辦法證實人體內(nèi)確實存在。

畢竟在生理條件下，堿基配對是要遵循堿基互補配對原則的。達不到特定的條件，是不能形成G-四鏈體和i-motif的。

本次，澳大利亞Garvan醫(yī)學研究所的MarcelE.Dinger和DanielChrist團隊找到了一個可以特異性結合i-motif的熒光抗體。有了這個抗體，研究人員就可以將細胞里的i-motif盡收眼底。

有了這樣神器，研究人員發(fā)現(xiàn)，i-motif結構基本都分布在人體的細胞核里，無論是健康細胞還是細胞。通過分析一個與端粒長度有關基因的i-motif結構，研究人員在細胞內(nèi)證實，i-motif結構缺失存在于基因表達的調(diào)節(jié)區(qū)域。

此外，他們還發(fā)現(xiàn)i-motifs大多形成于細胞“生命周期”的第一階段G1期，此時細胞代謝旺盛，開始合成細胞生長需要的各種蛋白質(zhì)等物質(zhì)。于此同時，他們發(fā)現(xiàn)在此期間，i-motif結構會不停的出現(xiàn)、消失。因此，研究人員認為，i-motif的極有可能通過形成和展開，控制基因的開和關。

在文章的前面已經(jīng)介紹過，i-motif的形成和展開與周圍環(huán)境的酸堿度變化有關。Dinger和Christ團隊也在人體細胞內(nèi)證實了這個現(xiàn)象。

之前的研究表明，細胞內(nèi)的酸堿度變化與培養(yǎng)液的二氧化碳含量是負相關的，即培養(yǎng)基的二氧化碳含量越高，細胞內(nèi)的pH越低，酸性越強。于是，研究人員希望通過改變二氧化碳濃度，研究i-motif的形成與展開。

研究人員將特定細胞株系放置在培養(yǎng)液二氧化碳濃度分別為2%（pH=7.98±0.1）、5%（pH=7.51±0.07）和8%（pH=7.28±0.08）的環(huán)境中培養(yǎng)。一段時間后觀察細胞核內(nèi)的熒光位點數(shù)量，就可以知道環(huán)境酸堿度對i-motif形成的影響。

毫無意外，研究人員發(fā)現(xiàn)，與二氧化碳濃度為5%的培養(yǎng)液相比，二氧化碳濃度為2%的培養(yǎng)液培養(yǎng)出來的細胞，含i-motif的DNA位點少了20%左右；二氧化碳濃度為8%的培養(yǎng)液培養(yǎng)出來的細胞，含i-motif的DNA位點多了30%左右。

這意味著，細胞周圍環(huán)境的酸堿度越低，i-motif結構越多。之前有研究表明，癌細胞內(nèi)的pH值在7.2左右，癌細胞外的pH值在6.7-7.1之間[20]。所以，理論上癌細胞的DNA里面有很多的i-motif結構。癌細胞內(nèi)外的這種酸堿環(huán)境，對i-motif結構有影響嗎？會進一步影響癌癥的發(fā)展嗎？還需要更深入的研究證實。

總的來說，澳大利亞Garvan醫(yī)學研究所的研究團隊篩選到了一個特異性極強的抗體，首次在人體內(nèi)看到了能夠快速響應酸堿度變化的i-motif結構，也初步證明它分布于很多癌基因，以及端粒的調(diào)控區(qū)。暗示i-motif結構與癌癥和衰老有一定的聯(lián)系，而且這個聯(lián)系可能與細胞周圍的酸堿性動態(tài)變化有關。實際上，G-四鏈體已經(jīng)在2013年就被劍橋大學證實在人體內(nèi)存在[21]，目前科學家正在針對性的開展抗癌藥物研發(fā)工作。

毋庸置疑，這個研究讓我們對生命有了新的認知，也為疾病等的研究打開了一個新的方向。不過，這種結構對人體影響究竟如何，還需要更多的研究去探索。好在Dinger和Christ團隊已經(jīng)給我們提供了一個還不錯的工具。