前言（也是大戏）
无论是在中学还是大学的生物课本里，我们都能读到“双链DNA形成双螺旋结构”这样的句子。这句话成立的背景，要一直追溯到上世纪的50年代。
（注：本文首发于我的微信公众号“生物狗窝”）
在1953年1月的某一天，一位叫Maurice Wilkins的科学家，在没有经过同实验室的Rosalind
Elsie Franklin同意的情况下，把她博士生Raymond Gosling拍的一张叫Photo 51的照片，即DNA晶体X射线衍射照片，带给了James Dewey Watson和Francis Harry Compton Crick看，结果改变了整个生物学领域的进程。在1962年，James Watson和Francis Crick因阐明DNA的双螺旋结构而获得了诺贝尔奖，而Rosalind Franklin则很遗憾地，于1958年因肿瘤病逝。
尽管这其中的故事细追起来就像一场八点档大戏（比如M和老R交情差，小R先是老R的学生后来又变成M的，所以M认为小R所有东西都是他的；而J和F在使用老R的数据发表论文时，竟然没有把老R列为共同作者，对小R的贡献更是只字未提……诸如此类，乱得一比……），但无论如何，DNA双螺旋结构的阐明，开启了分子生物学的时代。
但是，DNA可不仅仅有双螺旋结构（或者叫B构型）。随着研究的深入，科学家又在活细胞内发现了另外两种天然存在的结构：G四联体（G quadruplex，又称G-tetrads或G4-DNA）以及I-基序（I-motif）。
G四联体DNA
首先，G4 DNA长这样：
它首先是由同一条DNA单链上的4个G碱基，相邻之间成氢键形成的G四合体平面（G-tetrad）。这样的四合体平面反复出现，就会形成G四联体（G-quadruplex）。在平面的中间，通常还会存在一个阳离子（多为钾离子），帮助稳定结构。
（注：上图仅展示了其中一种G4 DNA结构。这里就不罗列其他各种可能性了。）
下面这张3D动图，能够帮我们更形象地理解G4 DNA的结构。图上一共包括了3层G四合体平面，蓝色部分即为G碱基的之间的氢键。
G4 DNA虽然老早就在电脑上模拟出来，人工合成的DNA也能搞出这样的结构，但直到2001年后，科学家才真正在细胞中观察到这种构型。
既然G4 DNA可以在细胞中天然存在，那它势必是有什么特别功能的。
没错，通过DNA测序，科学家预测出生物基因组中存在着大量的且非随机分布的G4 DNA。其中研究较为深入的区域，是染色体末端的端粒（telomere）。
如果染色体的末端，是线性的双链DNA，那这种暴露的结构就非常脆弱。目前科学界认为，端粒的G4 DNA有助于保护染色体末端的DNA，能够抑制端粒酶的活性，同时还是一种能与核膜相结合的结构。
测序结果还预测，G4 DNA还存在于50%的人类基因启动子中。而且，这些基因往往与生长发育有关（换句话说，和癌症有关）。但是，G4 DNA对于这些基因的转录到底有什么直接作用，目前尚在研究当中，还没有形成统一的理论。
此外，G4 DNA还存在于DNA临时形成的单链结构中，提示它还有可能参与了DNA的复制和修复进程。通过计算机预测，转录出来的RNA也可能形成G4结构，提示其可能参与了翻译的调控。
I-基序
相比起G4，I-motif的研究就比较少了。虽然同样也是老早就在电脑上模拟出来，也通过人工制造出来，但细胞中是否天然存在I-motif，则是最近才证实的。
I-motif长这个样子：
它是由同一条DNA单链中的C碱基之间，两两形成氢键而成的结构。这种结构的稳定性是pH依赖的：在一定范围内，pH越低越稳定。
我们不妨再换一种模式图来帮我们理解I-motif的结构：
（注：上面这些模式图，也仅展示了I-motif的其中一种构型。）
2018年4月23日上线的一篇Nature Chemistry的论文，首次证明了I-motif在细胞中是天然存在的，而不仅仅是想象。研究团队研发了一种对I-motif高度亲和的抗体，用免疫荧光的方法，在细胞中观察到这种结构。
通过超高分辨率荧光显微镜发现，I-motif同样存在于端粒和一些基因的启动子中。而至于I-motif有什么生物学功能，就有待进一步研究。
其他DNA结构
除了G4 DNA和I-motif之外，计算机模拟和体外实验还发现了其他的DNA结构，包括十字架形DNA（Cruciform DNA）和三链螺旋DNA（Triplex DNA）。
然而，这些构型的DNA是否在细胞中天然存在，就还需要实锤证据来支持。
目前针对构型的研究，大多依赖于对DNA的抽提并进行影像学或者各种谱学的测定。然而，在抽提的过程中，我们虽然能够保持DNA的双螺旋构象，但会不会使得DNA产生新的构象，就还不得而知。这就是为何，DNA构象特异的抗体的出现、进而直接检测细胞内（而非抽提出来的DNA）G4和I-motif DNA的存在，能够被称为实锤级的证据，也是里程碑式的发现。
虽然目前已经有很多间接证据支持，cruciform和triplex DNA极有可能是天然的DNA构象，但未来一定会有办法，在细胞内直接观察到这种结构。
但总而言之，咱们以后可别认为，DNA只有双螺旋一种构型哟。至少现在，G4和I-motif DNA的存在，已经从假说变成实锤了。
来源：知乎 www.zhihu.com
作者：吴思涵
【知乎日报】千万用户的选择，做朋友圈里的新鲜事分享大牛。
点击下载