2024年4月1日发(作者：邴雍)

生命的化学, 2014, 34(3): 385-391 常天俊, 等. 四链体核酸的生物学功能 doi: 10.13488/.20140309· 385 ·

G-四链体核酸的生物学功能

常天俊

*

，李 刚，李卫国

(河南理工大学资源环境学院，焦作 454000)

摘要：

G-

四链体是由富含鸟嘌呤的

DNA

或

RNA

折叠形成的高级结构。可形成

G-

四链体的序列在人基

因组中广泛分布，涉及

DNA

复制、端粒维持、基因表达与调控以及遗传不稳定性等过程。研究发现有

些化学合成的

G-

四链体序列也具有生物活性，如核仁素的核酸适体

AS1411

具有抑制恶性肿瘤增殖活

性。

G-

四链体的生物学功能研究对于恶性疾病的发病机理和靶向治疗，以及设计开发核酸类抗癌药物

有重要意义。

关键词：

G-

四链体；功能核酸；核酸适体；分子识别

The biological functions of G-quadruplex nucleic acids

CHANG Tianjun

*

, LI Gang, LI Weiguo

(School of Resources and Environment Engineering, He’nan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

Abstract: G-quadruplexes (G4s) are four-stranded DNA or RNA secondary structures formed in special

G-riching sequences. Putative G-quadruplex-forming sequences are highly prevalent in human genome, involved

in DNA replication, telomere maintenance, gene expression and regulation, and genetic instability. Synthetic

G-quadruplexes also have important biological functions, e.g., AS1411 is reported as an anti-nucleolin aptamer

and has cancer-selective antiproliferative activity. Therefore, studying the biological functions of G-quadruplexes

is very important for the pathogenesis and targeted therapy of malignancies, and for the design and development

of nucleic acids anti-cancer drugs.

Key Words: G-quadruplex; functional nucleic acid; aptamer; molecular recognition

G-

四链体

(G-quadruplex)

是由富含串联重复鸟

嘌呤

(G)

的

DNA

或

RNA

折叠形成的高级结构。

G-

四

分体

(G-quartet)

是四链体的结构单元，由

Hoogsteen

氢键连接

4

个

G

形成环状平面，两层或以上的四分

体通过

π

-

π

堆积形成四链体

(

图

1)

[1]

。

G-

四链体一般

需要一价阳离子如

Na

+

或

K

+

来稳定其结构

(

图

1A)

：

Na

+

位于

G-

四链体的四分体平面内，而

K

+

位于两层

四分体之间。根据

G

-

四链体主链的走向，可将其

分为平行、反平行和混合平行三种构型

(

图

1B)

[1]

。

1962

年，

Gellert

等

[3]

首次报道了

G-

四链体结

构。自

20

世纪

90

年代开始，研究人员陆续发现了

人端粒及基因启动子区以及

RNA

的

5′-UTR

存在可

形成

G-

四链体的

DNA

或

RNA

序列，参与许多重要

的生理和病理过程

[4]

。此外，人们发现化学合成的

G-

四链体也具有多种生物学活性，如抑制肿瘤增

殖活性

[5]

，抑制

1

型人类免疫缺陷性病毒整合酶

(HIV-1 integrase)

的活性

[6]

等。由于

G-

四链体具有重

要的生物功能和分子识别特性，其结构和功能研

究成为化学与生物学研究的热点。

2007

年至今，

国际上已成功举办了

4

次

G-

四链体大会，聚焦于

G-

四链体和鸟苷自组装领域的研究进展。本文主要

介绍基因中的

G-

四链体

DNA

和

RNA

，以及化学合

收稿日期：2013-09-22

基金项目：北京分子科学国家实验室开放课题基金(2012年度)；河南省教育厅科学技术研究重点项目(13A180328)

*通信作者：E-mail: changtj@

· 386 ·《生命的化学》2014年34卷3期综述

(A)G-

四分体

(

左

)

和

G-

四链体

(

右

)

。图中灰色或黑色球为一价阳离子；右图为人端粒

G-

四链体在

K

+

条件下的晶体结构

[2]

。

(B)G-

四链体的拓扑

结构：平行

(

左

)

、反平行

(

中

)

和混合平行

(

右

)

。

图

1

G-

四链体及其拓扑结构

[1,2]

成的

G-

四链体的生物功能，并简要介绍我们在

G-

四链体领域的研究进展。

形成

G-

四链体，需要解旋酶将它们解链。已发现

的能解链

G-

四链体的解旋酶大多数与遗传不稳定

的人类疾病有关，包括

RecQ

解旋酶

WRN(

与早老

病相关

)

和

BLM(

增加患癌风险

)

，以及

FANCJ(

增加

患癌风险

)

和

PIF1(

增加患癌风险

)

[14]

。最近，

Gray

等

[15]

发现转录解旋酶

XPB

和

XPD

在基因组中的结

合位点有

40%

与形成

G-

四链体的序列重叠，这些

解旋酶为以

G-

四链体为靶的癌症治疗策略提供了

新途径。此外，许多核蛋白在体外能选择性结合

G-

四链体，如核蛋白

Ku70/Ku86

及核内不均一核糖

核蛋白

1(heterogeneous nuclear ribonucleoprotein A1,

HNRNPA1)

等均能结合原癌基因

KRAS

启动子区的

G-

四链体序列，且

HNRNPA1

能解链

G-

四链体

DNA

，激活

KRAS

的转录

[16]

；核仁素是在细胞核中

表达的重要蛋白质，也能高亲和力地结合

c-Myc

启

动子区的

G-

四链体序列，且能抑制有该启动子控

制的基因表达

[16]

。这些研究表明，基因可通过形

成

G-

四链体结构，并在一系列

G-

四链体结合蛋白

的作用下来调节其复制或转录。

Brooks

等

[17]

总结发现，在癌的转化和恶性增

殖期间，

6

个关键的细胞和微环境过程中关键基因

的核心区或启动子区都有能形成

G-

四链体的序列

(

图

2)

。这些发现，对研究和发现新的受

G-

四链体

调节功能的基因有重要指导意义。由于与癌症的

密切联系，基因启动子

G-

四链体序列已成为抗癌

药物开发的重要靶点。

1 体内G-四链体核酸的生物学功能

1.1 基因中的G-四链体DNA的生物学功能

20

世纪

90

年代以来，人们发现端粒重复序列

能形成

G-

四链体结构，对维持染色体稳定有重要

作用，且与癌症发生、发展密切相关

[7]

。目前已有

文献综述了端粒

G-

四链体的功能

[8]

，本文主要探讨

基因中

G-

四链体的功能。科学家们利用生物信息

学手段，发现人类基因组中有近

300 000

个能形成

G-

四链体的序列

[9]

，

40%

以上的人类基因组启动子

区域含有

1

个或

1

个以上

G-

四链体序列

[10]

。但形成

G-

四链体的序列在肿瘤抑制基因中很少，而在促

进肿瘤发生或增殖的原癌基因中比例很高，可能

影响基因表达或导致基因组不稳定

[11]

。如原癌基

因

c-Myc

启动子区的

G-

四链体序列发生突变，可破

坏

G-

四链体的结构，使该基因转录活性提高

3

倍，

而稳定

G-

四链体结构的小分子则抑制该基因的转

录

[12]

。研究还发现转录起始位点

(2 kb

内

)

的上下游

序列都有富含

G

的序列，上游富

G

序列已被证实为

在双链中起调节作用的元件，如发生甲基化的

CpG

岛以及转录因子识别位点；而下游富

G

序列主

要在非模板链，位于第一个基因内含子内，有

16%

与已知的基因表达调控规律不同

[13]

。

这些富

G

序列，在

DNA

复制或转录过程中可

常天俊, 等. G-四链体核酸的生物学功能· 387 ·

图2　癌症的6个特点与对应基因启动子区域形成G-四链体的关联性

[17]

除原癌基因启动子区外，科学家还发现很多其

它基因存在可形成

G-

四链体的序列，如脆性

X

综合

征

(fragile-x syndrome)

基因

[18]

、人基因启动子微卫

星区的重复序列

[19]

、肌萎缩性脊髓侧索硬化症和额

颞痴呆相关基因

C9orf72

的

6

碱基重复区域

(GGGG-

CC)

n

[20]

，人乳头瘤病毒

(human papilloma virus, HPV)

基因组

[21]

、

HIV-1

病毒启动子区域的富

G

序列

(

HIV-

PRO1

)

[22]

等。最近，

Lexa

等

[23]

发现植物逆转录转座

子的长末端重复序列

(LTR)

存在能形成

G-

四链体的

序列，分布于启动子的上下游区域，其中上游多

在

DNA

负链，下游多在

DNA

正链上，表明这些序

列可在转录和转录后加工水平起作用。我们也尝

试开展玉米基因组中

G-

四链体序列分布规律的研

究，发现

G-

四链体序列分布密度少于人类基因

组，但在某些基因中分布相对集中，提示这些序

列可能与基因功能有关。迄今为止，科学家已发

现大量基因中存在

G-

四链体，但仅有少数基因中

G-

四链体的功能得到详细研究，研究对象也集中

在人类基因组中的

G-

四链体，对于其它生物基因

组中的

G-

四链体研究相对较少。

一段含有

UG

4

U

的

19

个碱基能被

K

+

稳定形成

G-

四链

体

[24]

。

Bugaut

等

[25]

发现由

RNA

聚合酶

II

转录端粒富

C

链产生的富

G

序列能形成

RNA G-

四链体，这个

G-

四链体

RNA

研究中的重要进展，使得

G-

四链体

RNA

开始引起了科学家的关注。

基因中存在大量的

G-

四链体

DNA

序列，那

么，由基因转录产生的富

G RNA

是否也能形成

RNA G-

四链体？

2007

年，

Kumari

等

[26]

发现原癌基

因

NRAS

的

5′-UTR

的富

G

序列能形成稳定的

G-

四链

体

RNA

结构，稳定

G-

四链体的小分子可抑制该蛋

白的表达；在人类转录组的

5′-UTR

区域中，有大

约

3 000

个包含

1

个或

1

个以上

G-

四链体形成序列，

其中还包括除

NRAS

外的其他几个原癌基因。与全

转录组相比，

G-

四链体

RNA

形成序列集中分布于

人类基因的

5′-UTR

区，拟南芥

(Arabidopsis thaliana)

转录组中可形成

G-

四链体的

RNA

序列分布规律与

之相似

[25]

。

目前，文献已报道了不少分布在基因的

5′-UTR

区的富

G

序列形成稳定

RNA G-

四链体结构，可抑

制基因的表达，如人

Zic-1

、基质金属蛋白酶

MT3-

MMP

、雌激素受体

ESR1

、凋亡调节因子

BCL2

以及

端粒保护蛋白

TRF2

等基因

[25]

。用反义核酸破坏

mRNA

的

G-

四链体结构，则能上调相应

mRNA

的翻

1.2 G-四链体RNA的生物学功能

富

G

的

RNA

序列也能形成稳定的

G-

四链体结

构。早在

1991

年人们就发现了大肠杆菌

5S RNA

的

· 388 ·《生命的化学》2014年34卷3期综述

译

[27]

。因此，位于疾病相关基因

5′-UTR

区的

G-

四

链体形成序列也是抗癌药物设计的重要靶标。除

了具有调节基因表达功能外，人们还发现有的

RNA G-

四链体能起到翻译起始或神经突定位信号

分子的功能

[28,29]

。

相对于

G-

四链体

DNA

，

G-

四链体

RNA

结合蛋

白的报道较少。

FMRP

蛋白家族是目前研究较多的

G-

四链体

RNA

结合蛋白，该蛋白质可结合

5′-UTR

区的

G-

四链体

RNA

，并抑制其翻译

[25,30]

。

RNA

解

旋酶

RHAU

也可在体外高亲和力地结合

G-

四链体

RNA

，且具有高效的

G-

四链体解旋能力，细胞水

平的研究也表明

G-

四链体

RAN

是胞内

RHAU

解旋

酶作用的靶分子

[26]

。

与基因组中

G-

四链体

DNA

相比，

G-

四链体

RNA

在体内缺少互补链竞争，且在热力学上比同

序列的

DNA

更稳定

[31]

，因此，

G-

四链体

RNA

更有

可能在体内自组装成

G-

四链体结构，执行相应的

生物功能。

G-

四链体

RNA

的研究将成为

G-

四链体

研究的另一热点。

1.3 DNA:RNA杂合G-四链体的生物学功能

两个或两个以上的富

G

核酸序列通过

Hoog-

steen

氢键可形成分子间

G-

四链体

(intermolecular

G-quadruplex)

，其中

DNA

与

RNA

之间可形成杂合

的分子间

G-

四链体。

Xu

等

[32]

发现人端粒

RNA

与

DNA

序列能形成杂合的分子间

G-

四链体，可抑制

染色体末端融合和抑制细胞衰老，进而对端粒起

保护作用。科学家还发现转录产生的富

G RNA

可

与非模板链的富

G DNA

作用，形成杂合

G-

四链

体，可作为

DNA

复制或转录的调控元件

[33,34]

。

Xiao

等

[35]

研究发现，能形成杂合

G-

四链体的序列在真

核生物基因组中非常普遍；从温血动物中的两栖

动物开始，这样的序列就集中分布在紧邻转录起

始位点下游

1 000

个核苷酸的区域，表明具有潜在

的转录调控功能。这些序列具有强烈的偏好分布

在转录的非模板链上，与

Eddy

等

[13]

发现的可形成

分子内

G-

四链体的序列分布规律相吻合，但转录

中可形成杂合

G-

四链体的序列远比后者更为普遍

和丰富

[35]

。该研究结果提示：形成

DNA:RNA

杂合

的分子间

G-

四链体

(

而不是分子内

G-

四链体

)

更有可

能是

G-

四链体调控基因复制或转录的结构模式。

然而，在低等的鱼类和后生动物基因组中，能形

成杂合

G-

四链体的序列在模板链分布较多，与哺

乳动物等高等的温血动物相反，表明形成杂合

G-

四链体调控

DNA

转录可能是进化的选择。该研究

从进化生物学的角度理解

G-

四链体序列在基因组

中的分布及功能，为

G-

四链体生物学研究指明了

一个新的方向。

1.4 G-四链体的分离与活体检测

G-

四链体还具有很强的抗核酸酶活性

[36]

，暗

示体内核酸代谢后，有可能存在较高丰度的

G-

四

链体序列。由于

G-

四链体与很多疾病密切相关，

若能在血液或体液中发现

G-

四链体，并阐明是否

与疾病有关，对于疾病的诊断将有重要意义。事

实上，

G-

四链体是否真实存在于体内一直是

G-

四

链体生物学研究要解决的问题。选择性分离并检

测到生物体内存在

G-

四链体，将为证实这些猜测

提供坚实的证据。本课题组

[37]

和

Balasubramanian

课题组

[38]

利用特异性识别

G-

四链体的小分子探针作

为亲和配基，尝试用亲和方法分离

G-

四链体核酸，

并初步建立了复杂体系中

G-

四链体的选择性富集分

离方法。

Balasubramanian

课题组在细胞水平对

G-

四

链体进行了系统研究，用

G-

四链体

DNA

的抗体

hf2

从癌细胞中分离和检测

G-

四链体

DNA

，证实了

G-

四链体在人基因组中稳定存在且可检测

[39]

；用

G-

四

链体

RNA

的抗体

BG4

对细胞质中的

G-

四链体

RNA

进行成像

[40]

。

Henderson

等

[41]

也开发了能特异性识

别

G-

四链体

DNA

的抗体

1H6

，可用于哺乳动物细

胞中

G-

四链体的检测。但能否从血液或体液中分

离并检测代谢的

G-

四链体，尚未有文献报道。

2 化学合成G-四链体核酸的生物学功能

2.1 抗肿瘤增殖活性

科学家们研究核酸药物时，发现了化学合成的

G-

四链体在体内也具有多种生物学活性。我们已对

G-

四链体核酸的抗肿瘤增殖活性进行了综述

[42]

，这

里不再赘述。目前研究的抗肿瘤增殖的

G-

四链体

核酸多为

DNA

分子。

Sanders

等

[43]

研究了

G-

四链体

RNA

的生物学活性，发现其转染入

HEK293

细胞，

不影响细胞活力，但上调了

EGFR1

和

FOS

基因的

表达。该研究结果虽然指出

G-

四链体

RNA

不影响

正常细胞活力，但并不清楚是否能抑制肿瘤增

殖。

常天俊, 等. G-四链体核酸的生物学功能· 389 ·

2.2 细胞识别活性

外源

G-

四链体核酸若能选择性结合肿瘤细

胞，并被细胞选择性摄取，将对于肿瘤的靶向治

疗有重要意义。最近，我们系统比较了

G-

四链体

DNA

序列

(

包括

AS1411)

与多种细胞的识别特征，

发现形成平行结构的

G-

四链体，包括核酸适体、

基因启动子序列及设计的

G-

四链体序列，具有普

遍的细胞识别活性，对很多肿瘤细胞系以及正常

细胞系有很强的结合能力，但不结合

Jurkat E6-

1(

一株白血病细胞系

)

；而不形成

G-

四链体的序列

或者反平行

G-

四链体结构的序列，对这些细胞结

合能力很弱。同时，我们发现具有不同

loop

组成的

平行

G-

四链体也有不同的细胞结合能力。我们推

测平行的

G-

四链体结构模块是其分子识别的基

础，而

loop

组成对其亲和力有重要作用。通过进一

步研究，我们发现

G-

四链体核酸能被细胞选择性

摄取，但不依赖于与细胞的结合，表明这些

G-

四

链体核酸的内吞并非由受体介导；并且我们发现

包括基因中

G-

四链体序列在内的多个

G-

四链体序

列都有抑制肿瘤增殖活性

[44]

。目前，

AS1411

作为

核仁素核酸适体在靶向肿瘤细胞的药物运输、成

像以及细胞捕获释放等领域有较多应用。然而，

我们发现了其对有些正常细胞

(

如胚肾成纤维细胞

HEK293)

也有很强的结合能力，提示该核酸的上

述应用存在一定的风险。

2.3 蛋白质识别活性

除了抗肿瘤增殖活性外，有些

G-

四链体

DNA(

如

T30923)

还具有抑制

HIV-1

整合酶的功能，

可抑制

HIV

感染

[6]

。

Magbanua

等

[45]

通过体外筛选

(systematic evolution of ligands by exponential en-

richment, SELEX)

得到了高亲和力结合白介素

-6

受

体

(interleukin 6 receptor, IL-6R)

的核酸适体

AID-1

[d(G3T)4]

，其与

T30923

序列相同，也能以

G-

四链

体结构与

IL-6R

结合；而且同样序列的

RNA

也能以

G-

四链体结构结合

IL-6R

，而且这两个序列都具有

HIV-1

整合酶抑制剂的功能，也能抑制

HIV

感染。

说明

G-

四链体与这些蛋白的识别具有结构或序列

选择性，且与核酸中核糖组成关系不大。有意思的

是，不少通过

SELEX

技术筛选得到的核酸适体能

形成

G-

四链体结构，如癌蛋白

Shp2

[46]

、凝血酶

[47]

等

的核酸适体与靶蛋白结合可抑制蛋白质的功能。

由于许多蛋白质的核酸适体能形成

G-

四链体结

构，

Yoshida

等

[48]

认为

G-

四链体结构是极佳的核酸

适体与靶蛋白识别的结构元件；此外，由于胰岛

素基因启动子区

G-

四链体序列能结合胰岛素，他

们提出了基因启动子区域的

G-

四链体可作为其表

达蛋白质的核酸适体的猜测，并设计了“基于

G-

四链体启动子的核酸适体筛选”方法，发现几个

其他基因启动子区的

G-

四链体序列的确可识别其

表达的蛋白质分子。基因启动子的

G-

四链体能结

合其表达产物可能是一种对基因表达的反馈调控

模式，该发现为

G-

四链体在体内功能研究提供了

新思路。

外源

G-

四链体核酸具有多种生物功能，是治

疗人类重大疾病如癌症、艾滋病等的潜在药物，

因此挑选有代表性的

G-

四链体核酸序列，深入研

究其在体内的分子识别谱，对于理解其在体内如

何行使功能，以及设计和开发

G-

四链体核酸药物

有重要意义。而且外源

G-

四链体在体内的分子识

别谱研究，对于理解基因组中

G-

四链体序列的功

能也有重要的指导意义。

3 小结

G-

四链体与双链核酸不同，可通过链内或链

间

G

碱基的相互识别自发折叠形成高级结构。在生

命过程中，基因可通过形成

DNA

、

RNA

以及

DNA:RNA

杂合的

G-

四链体，在复制、转录及翻译

等水平主动调节其表达。生物信息学方法被引入

G-

四链体研究中，使人们发现到从低等生物到高

等动物的基因中都存在大量

G-

四链体序列，并且

有些已被证实调节基因的表达，这表明了基因通

过形成

G-

四链体进行主动调控可能是一种普遍模

式。事实上，除了对基因的表达调控外，

G-

四链

体还具有许多其他复杂功能，如作为信号分子

等。然而，目前对

G-

四链体生物功能的研究主要

集中在人类基因组的端粒和少数原癌基因，绝大

多数分布于其他基因中的

G-

四链体结构和功能有

待进一步研究。由于

G-

四链体结构的稳定需要较

高浓度的

Na

+

或

K

+

，农作物的耐盐或耐旱基因是否

与

G-

四链体有关也是值得关注的对象。体内

G-

四

链体

DNA

的形成需要克服互补链的竞争，

G-

四链

体

DNA

在体内是否存在或以何种结构存在仍是

G-

· 390 ·《生命的化学》2014年34卷3期综述

四链体研究的难点。亲和分离并检测细胞或体液

中代谢的

DNA

中是否存在

G-

四链体，将可能为该

问题提供线索。另外，我们发现了包括基因中的

形成平行结构的

G-

四链体序列，具有普遍的细胞

识别和抑制肿瘤增殖活性，深入研究这些序列在

细胞内的分子识别谱，将有助于理解基因中

G-

四

链体的功能。

参 考 文 献

[1] Keniry MA. Quadruplex structures in nucleic acids. Bio-

polymers, 2000, 56: 123-146

[2] Parkinson GN, Lee MP, Neidle S. Crystal structure of

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[42]

常天俊, 龚红梅, 李卫国

.

具抗肿瘤活性的

G-

四链体核

酸研究进展

.

河南理工大学学报

(

自然科学版

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2024年4月1日发(作者：邴雍)

生命的化学, 2014, 34(3): 385-391 常天俊, 等. 四链体核酸的生物学功能 doi: 10.13488/.20140309· 385 ·

G-四链体核酸的生物学功能

常天俊

*

，李 刚，李卫国

(河南理工大学资源环境学院，焦作 454000)

摘要：

G-

四链体是由富含鸟嘌呤的

DNA

或

RNA

折叠形成的高级结构。可形成

G-

四链体的序列在人基

因组中广泛分布，涉及

DNA

复制、端粒维持、基因表达与调控以及遗传不稳定性等过程。研究发现有

些化学合成的

G-

四链体序列也具有生物活性，如核仁素的核酸适体

AS1411

具有抑制恶性肿瘤增殖活

性。

G-

四链体的生物学功能研究对于恶性疾病的发病机理和靶向治疗，以及设计开发核酸类抗癌药物

有重要意义。

关键词：

G-

四链体；功能核酸；核酸适体；分子识别

The biological functions of G-quadruplex nucleic acids

CHANG Tianjun

*

, LI Gang, LI Weiguo

(School of Resources and Environment Engineering, He’nan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

Abstract: G-quadruplexes (G4s) are four-stranded DNA or RNA secondary structures formed in special

G-riching sequences. Putative G-quadruplex-forming sequences are highly prevalent in human genome, involved

in DNA replication, telomere maintenance, gene expression and regulation, and genetic instability. Synthetic

G-quadruplexes also have important biological functions, e.g., AS1411 is reported as an anti-nucleolin aptamer

and has cancer-selective antiproliferative activity. Therefore, studying the biological functions of G-quadruplexes

is very important for the pathogenesis and targeted therapy of malignancies, and for the design and development

of nucleic acids anti-cancer drugs.

Key Words: G-quadruplex; functional nucleic acid; aptamer; molecular recognition

G-

四链体

(G-quadruplex)

是由富含串联重复鸟

嘌呤

(G)

的

DNA

或

RNA

折叠形成的高级结构。

G-

四

分体

(G-quartet)

是四链体的结构单元，由

Hoogsteen

氢键连接

4

个

G

形成环状平面，两层或以上的四分

体通过

π

-

π

堆积形成四链体

(

图

1)

[1]

。

G-

四链体一般

需要一价阳离子如

Na

+

或

K

+

来稳定其结构

(

图

1A)

：

Na

+

位于

G-

四链体的四分体平面内，而

K

+

位于两层

四分体之间。根据

G

-

四链体主链的走向，可将其

分为平行、反平行和混合平行三种构型

(

图

1B)

[1]

。

1962

年，

Gellert

等

[3]

首次报道了

G-

四链体结

构。自

20

世纪

90

年代开始，研究人员陆续发现了

人端粒及基因启动子区以及

RNA

的

5′-UTR

存在可

形成

G-

四链体的

DNA

或

RNA

序列，参与许多重要

的生理和病理过程

[4]

。此外，人们发现化学合成的

G-

四链体也具有多种生物学活性，如抑制肿瘤增

殖活性

[5]

，抑制

1

型人类免疫缺陷性病毒整合酶

(HIV-1 integrase)

的活性

[6]

等。由于

G-

四链体具有重

要的生物功能和分子识别特性，其结构和功能研

究成为化学与生物学研究的热点。

2007

年至今，

国际上已成功举办了

4

次

G-

四链体大会，聚焦于

G-

四链体和鸟苷自组装领域的研究进展。本文主要

介绍基因中的

G-

四链体

DNA

和

RNA

，以及化学合

收稿日期：2013-09-22

基金项目：北京分子科学国家实验室开放课题基金(2012年度)；河南省教育厅科学技术研究重点项目(13A180328)

*通信作者：E-mail: changtj@

· 386 ·《生命的化学》2014年34卷3期综述

(A)G-

四分体

(

左

)

和

G-

四链体

(

右

)

。图中灰色或黑色球为一价阳离子；右图为人端粒

G-

四链体在

K

+

条件下的晶体结构

[2]

。

(B)G-

四链体的拓扑

结构：平行

(

左

)

、反平行

(

中

)

和混合平行

(

右

)

。

图

1

G-

四链体及其拓扑结构

[1,2]

成的

G-

四链体的生物功能，并简要介绍我们在

G-

四链体领域的研究进展。

形成

G-

四链体，需要解旋酶将它们解链。已发现

的能解链

G-

四链体的解旋酶大多数与遗传不稳定

的人类疾病有关，包括

RecQ

解旋酶

WRN(

与早老

病相关

)

和

BLM(

增加患癌风险

)

，以及

FANCJ(

增加

患癌风险

)

和

PIF1(

增加患癌风险

)

[14]

。最近，

Gray

等

[15]

发现转录解旋酶

XPB

和

XPD

在基因组中的结

合位点有

40%

与形成

G-

四链体的序列重叠，这些

解旋酶为以

G-

四链体为靶的癌症治疗策略提供了

新途径。此外，许多核蛋白在体外能选择性结合

G-

四链体，如核蛋白

Ku70/Ku86

及核内不均一核糖

核蛋白

1(heterogeneous nuclear ribonucleoprotein A1,

HNRNPA1)

等均能结合原癌基因

KRAS

启动子区的

G-

四链体序列，且

HNRNPA1

能解链

G-

四链体

DNA

，激活

KRAS

的转录

[16]

；核仁素是在细胞核中

表达的重要蛋白质，也能高亲和力地结合

c-Myc

启

动子区的

G-

四链体序列，且能抑制有该启动子控

制的基因表达

[16]

。这些研究表明，基因可通过形

成

G-

四链体结构，并在一系列

G-

四链体结合蛋白

的作用下来调节其复制或转录。

Brooks

等

[17]

总结发现，在癌的转化和恶性增

殖期间，

6

个关键的细胞和微环境过程中关键基因

的核心区或启动子区都有能形成

G-

四链体的序列

(

图

2)

。这些发现，对研究和发现新的受

G-

四链体

调节功能的基因有重要指导意义。由于与癌症的

密切联系，基因启动子

G-

四链体序列已成为抗癌

药物开发的重要靶点。

1 体内G-四链体核酸的生物学功能

1.1 基因中的G-四链体DNA的生物学功能

20

世纪

90

年代以来，人们发现端粒重复序列

能形成

G-

四链体结构，对维持染色体稳定有重要

作用，且与癌症发生、发展密切相关

[7]

。目前已有

文献综述了端粒

G-

四链体的功能

[8]

，本文主要探讨

基因中

G-

四链体的功能。科学家们利用生物信息

学手段，发现人类基因组中有近

300 000

个能形成

G-

四链体的序列

[9]

，

40%

以上的人类基因组启动子

区域含有

1

个或

1

个以上

G-

四链体序列

[10]

。但形成

G-

四链体的序列在肿瘤抑制基因中很少，而在促

进肿瘤发生或增殖的原癌基因中比例很高，可能

影响基因表达或导致基因组不稳定

[11]

。如原癌基

因

c-Myc

启动子区的

G-

四链体序列发生突变，可破

坏

G-

四链体的结构，使该基因转录活性提高

3

倍，

而稳定

G-

四链体结构的小分子则抑制该基因的转

录

[12]

。研究还发现转录起始位点

(2 kb

内

)

的上下游

序列都有富含

G

的序列，上游富

G

序列已被证实为

在双链中起调节作用的元件，如发生甲基化的

CpG

岛以及转录因子识别位点；而下游富

G

序列主

要在非模板链，位于第一个基因内含子内，有

16%

与已知的基因表达调控规律不同

[13]

。

这些富

G

序列，在

DNA

复制或转录过程中可

常天俊, 等. G-四链体核酸的生物学功能· 387 ·

图2　癌症的6个特点与对应基因启动子区域形成G-四链体的关联性

[17]

除原癌基因启动子区外，科学家还发现很多其

它基因存在可形成

G-

四链体的序列，如脆性

X

综合

征

(fragile-x syndrome)

基因

[18]

、人基因启动子微卫

星区的重复序列

[19]

、肌萎缩性脊髓侧索硬化症和额

颞痴呆相关基因

C9orf72

的

6

碱基重复区域

(GGGG-

CC)

n

[20]

，人乳头瘤病毒

(human papilloma virus, HPV)

基因组

[21]

、

HIV-1

病毒启动子区域的富

G

序列

(

HIV-

PRO1

)

[22]

等。最近，

Lexa

等

[23]

发现植物逆转录转座

子的长末端重复序列

(LTR)

存在能形成

G-

四链体的

序列，分布于启动子的上下游区域，其中上游多

在

DNA

负链，下游多在

DNA

正链上，表明这些序

列可在转录和转录后加工水平起作用。我们也尝

试开展玉米基因组中

G-

四链体序列分布规律的研

究，发现

G-

四链体序列分布密度少于人类基因

组，但在某些基因中分布相对集中，提示这些序

列可能与基因功能有关。迄今为止，科学家已发

现大量基因中存在

G-

四链体，但仅有少数基因中

G-

四链体的功能得到详细研究，研究对象也集中

在人类基因组中的

G-

四链体，对于其它生物基因

组中的

G-

四链体研究相对较少。

一段含有

UG

4

U

的

19

个碱基能被

K

+

稳定形成

G-

四链

体

[24]

。

Bugaut

等

[25]

发现由

RNA

聚合酶

II

转录端粒富

C

链产生的富

G

序列能形成

RNA G-

四链体，这个

G-

四链体

RNA

研究中的重要进展，使得

G-

四链体

RNA

开始引起了科学家的关注。

基因中存在大量的

G-

四链体

DNA

序列，那

么，由基因转录产生的富

G RNA

是否也能形成

RNA G-

四链体？

2007

年，

Kumari

等

[26]

发现原癌基

因

NRAS

的

5′-UTR

的富

G

序列能形成稳定的

G-

四链

体

RNA

结构，稳定

G-

四链体的小分子可抑制该蛋

白的表达；在人类转录组的

5′-UTR

区域中，有大

约

3 000

个包含

1

个或

1

个以上

G-

四链体形成序列，

其中还包括除

NRAS

外的其他几个原癌基因。与全

转录组相比，

G-

四链体

RNA

形成序列集中分布于

人类基因的

5′-UTR

区，拟南芥

(Arabidopsis thaliana)

转录组中可形成

G-

四链体的

RNA

序列分布规律与

之相似

[25]

。

目前，文献已报道了不少分布在基因的

5′-UTR

区的富

G

序列形成稳定

RNA G-

四链体结构，可抑

制基因的表达，如人

Zic-1

、基质金属蛋白酶

MT3-

MMP

、雌激素受体

ESR1

、凋亡调节因子

BCL2

以及

端粒保护蛋白

TRF2

等基因

[25]

。用反义核酸破坏

mRNA

的

G-

四链体结构，则能上调相应

mRNA

的翻

1.2 G-四链体RNA的生物学功能

富

G

的

RNA

序列也能形成稳定的

G-

四链体结

构。早在

1991

年人们就发现了大肠杆菌

5S RNA

的

· 388 ·《生命的化学》2014年34卷3期综述

译

[27]

。因此，位于疾病相关基因

5′-UTR

区的

G-

四

链体形成序列也是抗癌药物设计的重要靶标。除

了具有调节基因表达功能外，人们还发现有的

RNA G-

四链体能起到翻译起始或神经突定位信号

分子的功能

[28,29]

。

相对于

G-

四链体

DNA

，

G-

四链体

RNA

结合蛋

白的报道较少。

FMRP

蛋白家族是目前研究较多的

G-

四链体

RNA

结合蛋白，该蛋白质可结合

5′-UTR

区的

G-

四链体

RNA

，并抑制其翻译

[25,30]

。

RNA

解

旋酶

RHAU

也可在体外高亲和力地结合

G-

四链体

RNA

，且具有高效的

G-

四链体解旋能力，细胞水

平的研究也表明

G-

四链体

RAN

是胞内

RHAU

解旋

酶作用的靶分子

[26]

。

与基因组中

G-

四链体

DNA

相比，

G-

四链体

RNA

在体内缺少互补链竞争，且在热力学上比同

序列的

DNA

更稳定

[31]

，因此，

G-

四链体

RNA

更有

可能在体内自组装成

G-

四链体结构，执行相应的

生物功能。

G-

四链体

RNA

的研究将成为

G-

四链体

研究的另一热点。

1.3 DNA:RNA杂合G-四链体的生物学功能

两个或两个以上的富

G

核酸序列通过

Hoog-

steen

氢键可形成分子间

G-

四链体

(intermolecular

G-quadruplex)

，其中

DNA

与

RNA

之间可形成杂合

的分子间

G-

四链体。

Xu

等

[32]

发现人端粒

RNA

与

DNA

序列能形成杂合的分子间

G-

四链体，可抑制

染色体末端融合和抑制细胞衰老，进而对端粒起

保护作用。科学家还发现转录产生的富

G RNA

可

与非模板链的富

G DNA

作用，形成杂合

G-

四链

体，可作为

DNA

复制或转录的调控元件

[33,34]

。

Xiao

等

[35]

研究发现，能形成杂合

G-

四链体的序列在真

核生物基因组中非常普遍；从温血动物中的两栖

动物开始，这样的序列就集中分布在紧邻转录起

始位点下游

1 000

个核苷酸的区域，表明具有潜在

的转录调控功能。这些序列具有强烈的偏好分布

在转录的非模板链上，与

Eddy

等

[13]

发现的可形成

分子内

G-

四链体的序列分布规律相吻合，但转录

中可形成杂合

G-

四链体的序列远比后者更为普遍

和丰富

[35]

。该研究结果提示：形成

DNA:RNA

杂合

的分子间

G-

四链体

(

而不是分子内

G-

四链体

)

更有可

能是

G-

四链体调控基因复制或转录的结构模式。

然而，在低等的鱼类和后生动物基因组中，能形

成杂合

G-

四链体的序列在模板链分布较多，与哺

乳动物等高等的温血动物相反，表明形成杂合

G-

四链体调控

DNA

转录可能是进化的选择。该研究

从进化生物学的角度理解

G-

四链体序列在基因组

中的分布及功能，为

G-

四链体生物学研究指明了

一个新的方向。

1.4 G-四链体的分离与活体检测

G-

四链体还具有很强的抗核酸酶活性

[36]

，暗

示体内核酸代谢后，有可能存在较高丰度的

G-

四

链体序列。由于

G-

四链体与很多疾病密切相关，

若能在血液或体液中发现

G-

四链体，并阐明是否

与疾病有关，对于疾病的诊断将有重要意义。事

实上，

G-

四链体是否真实存在于体内一直是

G-

四

链体生物学研究要解决的问题。选择性分离并检

测到生物体内存在

G-

四链体，将为证实这些猜测

提供坚实的证据。本课题组

[37]

和

Balasubramanian

课题组

[38]

利用特异性识别

G-

四链体的小分子探针作

为亲和配基，尝试用亲和方法分离

G-

四链体核酸，

并初步建立了复杂体系中

G-

四链体的选择性富集分

离方法。

Balasubramanian

课题组在细胞水平对

G-

四

链体进行了系统研究，用

G-

四链体

DNA

的抗体

hf2

从癌细胞中分离和检测

G-

四链体

DNA

，证实了

G-

四链体在人基因组中稳定存在且可检测

[39]

；用

G-

四

链体

RNA

的抗体

BG4

对细胞质中的

G-

四链体

RNA

进行成像

[40]

。

Henderson

等

[41]

也开发了能特异性识

别

G-

四链体

DNA

的抗体

1H6

，可用于哺乳动物细

胞中

G-

四链体的检测。但能否从血液或体液中分

离并检测代谢的

G-

四链体，尚未有文献报道。

2 化学合成G-四链体核酸的生物学功能

2.1 抗肿瘤增殖活性

科学家们研究核酸药物时，发现了化学合成的

G-

四链体在体内也具有多种生物学活性。我们已对

G-

四链体核酸的抗肿瘤增殖活性进行了综述

[42]

，这

里不再赘述。目前研究的抗肿瘤增殖的

G-

四链体

核酸多为

DNA

分子。

Sanders

等

[43]

研究了

G-

四链体

RNA

的生物学活性，发现其转染入

HEK293

细胞，

不影响细胞活力，但上调了

EGFR1

和

FOS

基因的

表达。该研究结果虽然指出

G-

四链体

RNA

不影响

正常细胞活力，但并不清楚是否能抑制肿瘤增

殖。

常天俊, 等. G-四链体核酸的生物学功能· 389 ·

2.2 细胞识别活性

外源

G-

四链体核酸若能选择性结合肿瘤细

胞，并被细胞选择性摄取，将对于肿瘤的靶向治

疗有重要意义。最近，我们系统比较了

G-

四链体

DNA

序列

(

包括

AS1411)

与多种细胞的识别特征，

发现形成平行结构的

G-

四链体，包括核酸适体、

基因启动子序列及设计的

G-

四链体序列，具有普

遍的细胞识别活性，对很多肿瘤细胞系以及正常

细胞系有很强的结合能力，但不结合

Jurkat E6-

1(

一株白血病细胞系

)

；而不形成

G-

四链体的序列

或者反平行

G-

四链体结构的序列，对这些细胞结

合能力很弱。同时，我们发现具有不同

loop

组成的

平行

G-

四链体也有不同的细胞结合能力。我们推

测平行的

G-

四链体结构模块是其分子识别的基

础，而

loop

组成对其亲和力有重要作用。通过进一

步研究，我们发现

G-

四链体核酸能被细胞选择性

摄取，但不依赖于与细胞的结合，表明这些

G-

四

链体核酸的内吞并非由受体介导；并且我们发现

包括基因中

G-

四链体序列在内的多个

G-

四链体序

列都有抑制肿瘤增殖活性

[44]

。目前，

AS1411

作为

核仁素核酸适体在靶向肿瘤细胞的药物运输、成

像以及细胞捕获释放等领域有较多应用。然而，

我们发现了其对有些正常细胞

(

如胚肾成纤维细胞

HEK293)

也有很强的结合能力，提示该核酸的上

述应用存在一定的风险。

2.3 蛋白质识别活性

除了抗肿瘤增殖活性外，有些

G-

四链体

DNA(

如

T30923)

还具有抑制

HIV-1

整合酶的功能，

可抑制

HIV

感染

[6]

。

Magbanua

等

[45]

通过体外筛选

(systematic evolution of ligands by exponential en-

richment, SELEX)

得到了高亲和力结合白介素

-6

受

体

(interleukin 6 receptor, IL-6R)

的核酸适体

AID-1

[d(G3T)4]

，其与

T30923

序列相同，也能以

G-

四链

体结构与

IL-6R

结合；而且同样序列的

RNA

也能以

G-

四链体结构结合

IL-6R

，而且这两个序列都具有

HIV-1

整合酶抑制剂的功能，也能抑制

HIV

感染。

说明

G-

四链体与这些蛋白的识别具有结构或序列

选择性，且与核酸中核糖组成关系不大。有意思的

是，不少通过

SELEX

技术筛选得到的核酸适体能

形成

G-

四链体结构，如癌蛋白

Shp2

[46]

、凝血酶

[47]

等

的核酸适体与靶蛋白结合可抑制蛋白质的功能。

由于许多蛋白质的核酸适体能形成

G-

四链体结

构，

Yoshida

等

[48]

认为

G-

四链体结构是极佳的核酸

适体与靶蛋白识别的结构元件；此外，由于胰岛

素基因启动子区

G-

四链体序列能结合胰岛素，他

们提出了基因启动子区域的

G-

四链体可作为其表

达蛋白质的核酸适体的猜测，并设计了“基于

G-

四链体启动子的核酸适体筛选”方法，发现几个

其他基因启动子区的

G-

四链体序列的确可识别其

表达的蛋白质分子。基因启动子的

G-

四链体能结

合其表达产物可能是一种对基因表达的反馈调控

模式，该发现为

G-

四链体在体内功能研究提供了

新思路。

外源

G-

四链体核酸具有多种生物功能，是治

疗人类重大疾病如癌症、艾滋病等的潜在药物，

因此挑选有代表性的

G-

四链体核酸序列，深入研

究其在体内的分子识别谱，对于理解其在体内如

何行使功能，以及设计和开发

G-

四链体核酸药物

有重要意义。而且外源

G-

四链体在体内的分子识

别谱研究，对于理解基因组中

G-

四链体序列的功

能也有重要的指导意义。

3 小结

G-

四链体与双链核酸不同，可通过链内或链

间

G

碱基的相互识别自发折叠形成高级结构。在生

命过程中，基因可通过形成

DNA

、

RNA

以及

DNA:RNA

杂合的

G-

四链体，在复制、转录及翻译

等水平主动调节其表达。生物信息学方法被引入

G-

四链体研究中，使人们发现到从低等生物到高

等动物的基因中都存在大量

G-

四链体序列，并且

有些已被证实调节基因的表达，这表明了基因通

过形成

G-

四链体进行主动调控可能是一种普遍模

式。事实上，除了对基因的表达调控外，

G-

四链

体还具有许多其他复杂功能，如作为信号分子

等。然而，目前对

G-

四链体生物功能的研究主要

集中在人类基因组的端粒和少数原癌基因，绝大

多数分布于其他基因中的

G-

四链体结构和功能有

待进一步研究。由于

G-

四链体结构的稳定需要较

高浓度的

Na

+

或

K

+

，农作物的耐盐或耐旱基因是否

与

G-

四链体有关也是值得关注的对象。体内

G-

四

链体

DNA

的形成需要克服互补链的竞争，

G-

四链

体

DNA

在体内是否存在或以何种结构存在仍是

G-

· 390 ·《生命的化学》2014年34卷3期综述

四链体研究的难点。亲和分离并检测细胞或体液

中代谢的

DNA

中是否存在

G-

四链体，将可能为该

问题提供线索。另外，我们发现了包括基因中的

形成平行结构的

G-

四链体序列，具有普遍的细胞

识别和抑制肿瘤增殖活性，深入研究这些序列在

细胞内的分子识别谱，将有助于理解基因中

G-

四

链体的功能。

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