近日，精密测量院李从刚研究团队在人端粒末端G-四链体（G4）拓扑结构表征方面取得新进展，报道了可用于快速鉴定和定量端粒G4拓扑构象的¹⁹F化学位移指纹图谱新方法，并首次在溶液及活细胞内表征了天然长度人端粒末端G4的详细构象信息，相关研究成果发表在国际期刊《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。

运用¹⁹F化学位移指纹图谱新方法鉴定长端粒G4拓扑构象

   G4是由富含G碱基的DNA或RNA形成的非经典核酸二级结构，在生物体内普遍存在且具备重要的生物学功能。人端粒DNA由5-15 kb的六核苷酸重复序列TTAGGG串联而成，其3’末端为一段长度为50-300 nt的单链悬垂，可在生理条件下折叠成多个G4，这些特殊结构被发现在端粒末端维持中发挥了重要作用，同时也被视为潜在的抗癌药物作用靶点而受到广泛关注，因此明确端粒3’末端悬垂G4的折叠细节包括拓扑构象信息、相对比例等对于理解端粒功能以及靶向端粒G4的抗癌药物开发至关重要。然而，天然长度端粒悬垂分子量大、多个G4同时存在且各自处于构象动态平衡之中，同时细胞内环境复杂，传统的结构表征方法如常规NMR、X-ray晶体衍射、圆二色谱等并不适用，导致天然长度人端粒悬垂在稀溶液以及生理条件下的结构信息一直未能确认。

¹⁹F NMR具备天然丰度高、信号灵敏度高、无细胞内背景干扰、化学位移的构象依赖性强等优点，在表征人端粒G4结构方面存在独特的优势。研究团队通过在核酸序列的特定位点引入¹⁹F标记，发现不同的拓扑结构具有特征的化学位移分布区间，总结得到了人端粒G4拓扑的¹⁹F化学位移指纹图谱。基于该指纹图谱，研究团队系统地研究了天然长度人端粒序列的G4构象信息，发现长端粒倾向于在5’和3’末端形成稳定的G4，位于内部的G4相对更加动态，形成G4之余的冗余重复在序列内部以去折叠形式存在。所有G4均处于构象的动态平衡之中，其中5’、3’末端G4的主要拓扑构象分别为hybrid-2和hybrid-1，内部G4主要为2或3层反平行构象，且这些G4构象之间彼此独立、互不干扰。研究团队还进一步研究了长端粒序列在非洲爪蟾卵母细胞中的结构，发现其构象细节与K⁺稀溶液中一致，并不受拥挤等复杂细胞环境的干扰，同时发现端粒在活细胞内的稳定性受序列长度调控，提示端粒长度可能影响蛋白可及性进而调控端粒功能。这项工作提供了表征天然长度人端粒悬垂拓扑结构的有效方法，给出了迄今为止构象信息最详细的拓扑结构模型，为理解端粒结构、功能以及靶向端粒G4的抗癌药物开发提供了重要的结构基础，同时指纹图谱的概念也有望推广至其它核酸二级结构体系。

该研究以“¹⁹F Nuclear Magnetic Resonance Fingerprinting Technique for Identifying and Quantifying G-Quadruplex Topology in Human Telomeric Overhangs”为题发表在学术期刊《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上，精密测量院为该工作的第一完成单位，精密测量院博士后王晨为第一作者，研究员李从刚为通讯作者。

该研究工作得到了国家自然科学基金和科技部的资助。

论文链接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c12247