细胞内G-四链体：结构、功能、检测及生物医学意义39

G-四链体（G-quadruplexes, G4s）是DNA和RNA中富含鸟嘌呤的序列能够形成的一种非经典的四链体结构。它们由四个鸟嘌呤碱基通过Hoogsteen氢键相互作用形成平面结构的G-四联体，多个G-四联体再堆叠形成高度有序的三维结构。近年来，研究发现细胞内G-四链体广泛存在，并参与多种重要的生物学过程，成为生命科学研究的热点。

一、细胞内G-四链体的结构特点

G-四链体的形成依赖于鸟嘌呤富含序列，通常包含至少四个连续或间隔较近的鸟嘌呤碱基。这些鸟嘌呤碱基通过Hoogsteen氢键形成平面四联体结构，多个四联体通过π-π堆积作用进一步堆叠形成稳定的三维结构。G-四链体的结构具有高度的多样性，这取决于序列、链长、离子环境以及周围分子的影响。例如，G-四链体可以是平行、反平行或混合型构象，并且可以包含不同的环状结构。这些结构的多样性也导致了其功能的多样性。

二、细胞内G-四链体的形成与稳定性

G-四链体的形成是一个动态平衡的过程，受到多种因素的影响，包括：①序列：富含鸟嘌呤的序列是G-四链体形成的基础，序列的长度、鸟嘌呤的排列方式以及间隔碱基的种类都会影响G-四链体的形成效率和稳定性；②离子环境：单价阳离子，特别是钾离子，对G-四链体的稳定性至关重要，它们可以中和G-四链体负电荷，促进G-四链体堆积；③蛋白质：一些蛋白质可以结合并稳定或解开G-四链体，从而调控G-四链体的形成；④pH值：pH值的变化也会影响G-四链体的稳定性。

三、细胞内G-四链体的功能

细胞内G-四链体参与广泛的生物学过程，其功能主要包括：
基因转录调控：G-四链体可以位于基因启动子区或其他调控区域，影响RNA聚合酶的结合，从而调控基因的转录。一些研究表明，G-四链体可以作为转录激活因子或抑制因子的结合位点，参与基因表达的调控。
DNA复制与修复：G-四链体可以阻碍DNA复制叉的移动，导致复制停滞，从而影响基因组的稳定性。同时，G-四链体也可能参与DNA修复过程，例如参与同源重组修复。
端粒维持：端粒是染色体末端的保护结构，富含G-四链体结构。G-四链体在端粒的维持和保护中发挥重要作用，影响端粒长度和细胞衰老。
RNA加工与翻译：G-四链体也存在于RNA分子中，可以影响RNA的加工、转运和翻译过程。例如，G-四链体可以影响mRNA的稳定性，从而影响蛋白质的合成。
染色体结构与稳定性：G-四链体参与染色体的结构和稳定性调控，可能与染色体畸变和基因组不稳定性有关。

四、细胞内G-四链体的检测方法

检测细胞内G-四链体的方法多种多样，主要包括：
生物化学方法：例如，使用特异性结合G-四链体的抗体或小分子探针进行免疫沉淀或荧光染色。
光谱学方法：例如，利用圆二色谱（CD）或核磁共振（NMR）等技术分析G-四链体的结构特征。
电泳方法：例如，使用凝胶电泳分离不同构象的G-四链体。
显微镜技术：例如，使用荧光显微镜观察细胞内G-四链体的定位和分布。

五、G-四链体与疾病

由于G-四链体参与多种重要的生物学过程，其异常可能与多种疾病的发生发展密切相关，包括癌症、神经退行性疾病和心血管疾病等。例如，在癌症中，G-四链体可以促进肿瘤细胞的生长和增殖，也可能参与肿瘤的转移和耐药性。因此，靶向G-四链体的药物开发成为近年来抗癌药物研究的热点之一。

六、总结与展望

细胞内G-四链体作为一种重要的非经典DNA和RNA结构，其结构、功能及其在疾病中的作用正逐渐被揭示。对细胞内G-四链体的深入研究，将为我们理解基因表达调控、基因组稳定性维持以及疾病发生发展机制提供新的视角，并为开发新型治疗药物提供新的靶点。未来研究需要进一步阐明G-四链体在不同细胞类型和不同生理条件下的动态变化，以及其与其他生物分子的相互作用机制。同时，开发更特异、更灵敏的G-四链体检测方法，以及设计靶向G-四链体的有效药物，也具有重要的意义。

2025-09-04

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