1953年，生物学迎来了一个重要里程碑。生物学家揭开了遗传物质DNA结构的面纱——两股长链相互缠绕，形成了经典的双螺旋。这种结构也成了生物学中最具代表性的图案之一。
但事实上，这并不是DNA的唯一形态。DNA还可以形成其他一些更奇特的结构，比如由4股长链缠绕构成的“四螺旋”，这种结构也被称为DNA G-四联体（G4）。
四螺旋的DNA。| 图片来源：IC
DNA的不同结构形状会对与之相关的所有过程产生巨大影响，比如DNA的读取、复制，或者遗传信息的表达。因此这种结构独特的DNA一直吸引着生物学家的目光。
有关G4的研究在近半年来取得了一些重要进展。去年7月，一组英国科学家发明了一种荧光标记物，它能够附着在人体活细胞中的G4上，首次证明在人体活细胞中，G4会作为一种正常细胞过程产生的稳定结构存在。近日，帝国理工学院的研究人员又创造出了一种新型探针，使得人们进一步了解了这种奇异结构的DNA在活细胞内的活动。
G4最早出现在实验室的试管里，科学家起初并不确定它在自然中是否存在。直到2013年，剑桥大学的科学家通过设计一种独特的抗体，在人类癌细胞中首次检测到了这种结构。
研究表明，G4在癌细胞中具有较高浓度，因此被认为可能与这种疾病相关。还有一些证据指向，这种结构独特的DNA在许多重要的生物过程中可能发挥着重要作用。
然而，最早使用的检测技术要么需要杀死细胞，要么必须借助高浓度的化学探针观察。科学家一直希望在正常条件的活细胞中追踪G4的实际存在和活动。所缺失的关键一环是直接在活细胞中对这种结构进行成像，并理解它在活细胞中的活动。
问题是，在细胞内，双链DNA相对常见，G4则很罕见，这意味着，探测这类分子的标准技术很难针对G4进行特异性的检测。参与研究的Ben Lewis将这个问题形象地描述为“大海捞针，但针也是水做的”。
去年7月，研究人员在人体细胞中发现了G4的身影。研究证明，G4的形成和消失非常迅速，表明G4的形成可能只是为了履行某种功能，而且如果它们存在的时间持续太久，可能就会对正常的细胞过程造成负面影响。科学家认为，形成G4是为了暂时保持分子的开放性，从而帮助转录等基因表达过程发生。
在近期的新研究中，科学家使用了一种名为DAOTA-M2的化学探针，这种探针在G4存在时会发出荧光。但是研究人员没有选择监测荧光的亮度，而是监测了这种荧光持续的时间。这种信号不依赖于探针或G4的浓度，这意味着它可以用来明确地观察这些罕见的分子。
荧光寿命成像技术绘制出了活细胞中被新型探针染色的核DNA。不同的颜色代表9到13纳秒（红到蓝）的荧光寿命长度。| 图片来源：IC
团队利用这种新型探针研究了G4与两种解旋酶蛋白质的相互作用。他们发现，如果这些解旋酶蛋白质被去除，就会出现更多G4。这直接证明了解旋酶在分解G4中起到的作用。
研究人员还探索了活细胞中其他一些分子与G4相互作用的能力。如果引入细胞的分子与这种DNA结构结合，它将取代DAOTA-M2探针，并缩短荧光持续的时间。荧光寿命因此能够为研究人员带来许多信息。
新型探针揭示了G4是如何被某些蛋白质解旋的，还能够帮助识别与G4结合的分子，这使得科学家有能力探索活细胞的细胞核内的相互作用，从而进一步理解更多分子。它同样带来了研究治疗癌症等疾病的潜在药物的可能。
研究人员计划继续合作，改进探针的性能，进一步阐明这种特别的DNA结构在活细胞中所起的作用。
#创作团队：
文字：Takeko
文首图：雯雯子
#参考来源：
https://www.imperial.ac.uk/news/200174/formation-quadruple-helix-dna-tracked-live/
https://www.imperial.ac.uk/news/211973/rare-quadruple-helix-dna-found-living-human/
https://www.newscientist.com/article/dn23093-quadruple-dna-helix-discovered-in-human-cells/
#图片来源：
封面及文首图：Ella Maru Studio / IC