杂合G-四链体的结构形成机制及其对转录的调控分子机理

Guanine-rich nucleic acids can fold into a four-stranded structure called G-quadruplex. Putative G-quadruplex sequences are enriched in the promoter regions of oncogenes. This fact implies that G-quadruplexes may function as regulatory elements and play role in the regulation of gene function. Recent research revealed hundreds and thousands of potential G-quadruplex sequences in the genome of human and other species. The existence of G-quadruplex structure has just been verified. So far, researches on G-quadruplex have been mostly carried out using core G-quadruplex sequences in a static and physiologically irrelevant environment. How G-quadruplexes are formed under the in vivo cellular condition; how the structure formation is affected or regulated by environmental factors; and what basic functions and biological effect G-quadruplex may have; all these questions needs to be addresses systematically. This proposal is aimed to elucidate the mechanism of structural formation, competition and regulation on transcription in physiologically relevant processes, such as replication, transcription and repair. We will also explore the possibility of altering gene expression by interrupting G-quadruplex formation.

富G核酸能够折叠，通过鸟嘌呤间的Hoogsteen氢键形成G-quadruplex（G-四链体）结构。G-四链体在癌基因启动子区富集，表明G-四链体有基因表达调控方面的功能，是基因表达的重要调控元件。近年来的研究发现能够形成G-四链体的序列在人的基因组中有几十万之多，G-四链体在活细胞基因组中的存在刚刚被证实。目前有关G-四链体的研究大多采用G-四链体核心序列，在静态的体外环境中进行。本实验室率先进行了生理动态过程G-四链体结构的形成，发现DNA转录诱导产生DNA:RNA杂合G-四链体并且其形成位点集中于转录起始位点且其数量与基因转录组表达具有对应关系，表明DNA本身编码有以杂合G-四链体结构形式的控制原件。本项目将继续研究基因组DNA中G-四链体结构的形成机制，结构转换动力学以及对转录调控的分子机制；同时探讨通过杂合G-四链体调控基因转录组表达的途径。

本项目经过四年的工作，在杂合G-四链体的结构形成机制及其对转录的调控分子机理方面取得一系列重要原创性进展。项目启动至目前本人作为通讯作者已在PNAS（1篇，影响因子9.504）, Angew Chem Int Ed（3篇，影响因子12.102）, Nucleic acids Res（1篇，影响因子11.561），Chemical Sciences（1篇，影响因子9.063）等杂志发表研究论文9篇。还有重要论文在整理撰写中。..我们发现一种具有环境响应能力的新型核酸G-四链体结构。这种新G-四链体的结构特征是在G-quartet平面上含有G-空缺，它可以从环境中吸收一个含Guanine基团的分子而形成一个更加稳定的结构。这种被命名为GVBQ（G-vacancy-bearing G-quadruplexes）的G-四链体可以在单链核酸和转录的双链DNA中形成。该含G-空缺G-四链体可能通过响应GMP和GTP的生理浓度而感知细胞的代谢状态，改变调节能力。我们利用含G-空缺G-四链体制作了性能优良的鸟嘌呤衍生物的传感器，这一工作不仅提供了一个检测鸟嘌呤衍生物的高质量工具，同时也表明含G-空缺G-四链体在体内可以响应细胞内的鸟嘌呤衍生物而产生调控作用。..我们实现了对转录诱导的杂合及纯合G-四链体形成的实时检测，揭示了杂合G-四链体形成与转录活性的定量关系及其与R-loop的依赖关系。我们发现转录诱导的G-四链体形成受DNA静态超螺旋控制，而转录产生的动态超螺旋是诱发G-四链体形成的原因。细胞中的DNA以不同程度的超螺旋状态存在，我们发现由转录诱导的G-四链体形成受DNA静态超螺旋控制，也即G-四链体序列可以感知DNA超螺旋状态的不同而做出相应。..我们发展了一种DNA双螺旋中负超螺旋扭矩动态传递的传感器，首次实现了对转录远程诱导上游G-四链体形成的实时动态检测。利用这一工具，我们研究了转录产生的负超螺旋在线性和分叉 DNA中的传输。我们发现, 转录生成的动态负超螺旋扭矩不仅沿线性 DNA 传输, 而且同样在分叉 DNA 中传输。我们发现在动态负超螺旋传输受 DNA高级结构，DNA-蛋白质相互作用的调控。

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