1. 结构定义与形成条件

DNA G-四链体（DNA G-quadruplexes, G4s DNA）是由富含鸟嘌呤（G）的序列折叠形成的三维二级结构。其形成严格依赖特定基因组区域在细胞代谢中产生的瞬时单链状态，主要分布于端粒、转录区及其他基因组区域。

2. 核心结构单元与组装机制

G4的核心结构单元为G-四分体（G-tetrad）——由四个鸟嘌呤碱基通过Hoogsteen氢键连接形成的正方形平面。该平面通过单价阳离子（如K⁺或Na⁺）与鸟嘌呤O-6孤对电子间的配位作用稳定。多层G-四分体通过π-π堆积作用垂直堆叠，最终形成中央由阳离子稳定的G-四链体结构。

3. 拓扑多样性与决定因素

尽管G4在序列上具有相似性，其折叠拓扑结构根据链方向性（DNA链的5'→3'或3'→5'反向平行走向）形成平行、反平行或混合型拓扑，可能直接影响细胞内G4的稳定性与功能。

4. 分子构型分类与特性

G4可分为两类：

分子内G4：由单条DNA链折叠形成；

分子间G4（iG4s）：由多条DNA链共同组装；

二者在折叠动力学与热力学稳定性等理化性质上存在差异，但核心结构均依赖G-四分体的堆叠。

 图1 G4的结构

G4结构的形成受多种因素和共同调控，这些因素共同确保G4在正确的时间与位置形成或解旋，参与基因表达和基因组稳定性的维持。

1.分子稳定性基础

G4的热力学稳定性由分子层面的理化特性决定。阳离子（效率顺序为K⁺> Na⁺>Li⁺)通过稳定G-四分体的静电平衡起核心作用。Loop的长度和以及侧翼序列的组成直接影响折叠，较短的环（如1-2个核苷酸）通常比长环更有利于结构的稳定。这些因素共同构成G4折叠的分子基础。

2.蛋白质动态调控

解旋酶（如BLM、DHX36）能够识别并解旋G4结构，确保DNA复制、转录等过程的正常进行。G4结合蛋白（G4BPs，如核仁素、LARK）通过结合稳定G4结构。这种“解旋-稳定”的拮抗机制精细调控细胞内G4的丰度与分布。

3.染色质结构驱动

RNA聚合酶移动时产生的负超螺旋应力可促使DNA局部解链，暴露出单链富G序列，促进G4折叠。

G4 DNA主要富集于开放染色质区域，与活跃转录标记（如RNA聚合酶II和H3K4me3）共定位，而在异染色质标记（如H3K9me3）区域则较少出现。

4.端粒特异性调控

端粒中G4的调控更为复杂，端粒DNA及其转录产物TERRA（端粒重复序列RNA）均可形成G4结构，并与蛋白质（如FUS）结合，共同维持端粒异染色质的稳态。

图2 G4结构形成的调控

G4 DNA通过动态折叠直接调控端粒维持、基因转录及表观遗传修饰等核心生物学过程，对维持细胞稳态和基因组稳定性至关重要。深入解析G4在生理与病理状态下的构象转换机制，将为开发靶向G4的癌症治疗策略提供理论基石，推动相关疾病干预新路径的建立。

一．G4 DNA与端粒稳态

端粒G4结构的形成对维持端粒完整性至关重要，其作用主要体现在三个方面：

1.维持端粒异染色质状态

FUS蛋白通过同时结合端粒DNA G4和TERRA RNA G4形成三元复合物，介导组蛋白甲基化，促进端粒区域异染色质的压缩和稳定（图3A）。

2.调控端粒DNA复制

G4结构在端粒复制中既可能阻碍复制叉进展，又依赖特定解旋酶进行调控。端粒富含G序列形成的稳定G4会阻碍复制叉进展，需依赖CST复合物和RTEL1解旋酶进行特异性解旋以维持端粒完整性，否则将导致端粒丢失（图3B）。

3.调控端粒酶活性

在具有高分裂和增殖能力的癌细胞和干细胞中，端粒酶（TERC）使用其自身的RNA组分作为模板进行逆转录并延长染色体端粒DNA的3'端，以防止DNA复制导致的端粒缩短。

反平行分子内G4的折叠限制了端粒3'端与端粒酶的结合，并抑制端粒延伸（图3C 左）；而在S期形成的平行分子间G4则作为端粒酶的底物和定位信号，促进其募集至端粒末端，通过逆转录延伸端粒（图3C 右）。

图3 端粒DNA G4的影响

二．G4 DNA与转录调控

1.启动子上的G4 DNA：调控转录起始

• 影响转录因子结合：G4的折叠动态能够改变转录因子与启动子的结合，从而调控基因转录起始（图4A）。大量转录因子（如Nucleolin、NM23-H2、CNBP、SP1、LARK等）被证实能与G4相互作用。例如，MYC启动子的DNA序列折叠形成G4，招募核仁素蛋白过来结合并稳定G4结构，最终抑制C-MYC基因表达。

2.模板链上的G4 DNA：阻碍转录延伸

• DNA模板链上的G4会直接阻碍RNA聚合酶的延伸进程，从而降低相应基因的转录水平（图4B）。

3.非模板链上的G4 DNA：促进转录终止

• DNA非模板链上的G4阻碍DNA的复性，提高模板链和RNA形成的R-loop结构的稳定性，导致聚合酶停滞，阻止RNA聚合酶介导的转录（图4C）。

• 由非模板链和其转录产生的RNA形成的分子间G4（DNA-RNA杂合G4）导致转录提前终止，从而降低基因转录水平。例如线粒体基因CSBII转录产生的RNA与非模板DNA链折叠形成稳定的DNA-RNA杂合G4，促进转录终止（图4D）。

图4 DNA G4对转录的影响

三．G4 DNA与表观遗传

1.影响DNA甲基化

G4结构的稳定性、空间分布及染色质可及性与CpG岛甲基化密切相关。当启动子DNA折叠形成G4时，可招募DNA甲基转移酶1（DNMT1）并抑制其活性，抑制CpG岛的局部甲基化，从而避免由甲基化引起的转录抑制（图5A）。

2.影响组蛋白修饰

hTERT基因启动子中的G4，通过与NME2结合招募含有组蛋白去甲基化酶活性的REST-LSD1蛋白复合物，导致附近组蛋白发生H3K4去甲基化，使染色质结构紧缩并最终抑制基因转录。CDKN1A基因存在类似机制：其启动子G4结合TRF2，进而招募REST-LSD1复合物进行组蛋白去甲基化，最终导致转录下调（图5B）。

图5 DNA G4对基因组表观遗传调控的影响

四．G4 DNA与癌症治疗

G4 DNA高密度分布于原癌基因启动子与端粒区域，成为驱动肿瘤恶性增殖的关键分子开关，目前科学家们已通过基于G4动态调控设计出多种癌症治疗手段！

1.利用G4稳定配体抑制原癌基因表达

利用G4稳定配体（如CM03、MM41、PDS）靶向结合并稳定原癌基因启动子区的G4结构，阻止G4解旋，阻碍转录因子或RNA聚合酶的结合，从而下调原癌基因转录（图6黄色框）。

2.联合G4稳定配体与DNA修复抑制实现癌细胞致死

利用G4稳定配体（如CX-5461、PDS）诱导G4过度折叠，导致DNA复制叉停滞并产生双链断裂（DSBs）。通过同时抑制DSB修复通路（HR或NHEJ），使癌细胞因无法修复损伤而死亡（图6粉色框）。

图6 G4 DNA在癌症治疗中的应用

云序生物全新发布G4 CUT&Tag与G4 ChIP-seq技术服务，开启G4结构研究新维度。两项技术均提供高质量数据输出，可实现对全基因组G4结构的精准定位与高效捕获，深度解析G4结构在转录调控、疾病发生中的关键功能，加速从基础科研到药物开发的转化进程。

一．G4 CUT&Tag

云序生物提供的G4 CUT&Tag（DNA G-quadruplexe Cleavage Under Targets and Tagmentation）服务，依托CUT&Tag实验原理，具有超低样本量、高特异性和高分辨率的优势，其通过Tn5转座酶在抗体结合位点原位切割并连接接头的特性，在避免甲醛交联和超声破碎的同时，有效实现了对稀有样本的高效精准分析，且背景噪音极低。

实验流程如下：

将细胞与FLAG标记的G4特异性抗体、抗FLAG抗体、二抗和proteinA-Tn5融合蛋白依次孵育后，利用Tn5转座酶特异性的切割G4染色质片段，并将DNA片段连上接头，文库构建之后可进行高通量测序。

图7 G4 CUT&Tag实验流程

二．G4 ChIP-seq

云序生物提供的G4 ChIP-Seq（DNA G-Quadruplex Chromatin Immunoprecipitation Sequencing）服务，依托ChIP-seq实验原理，利用G4特异性抗体，在天然染色质环境中精准捕获各种拓扑结构的G4。

实验流程如下：

染色质交联：固定染色质中G4结构→超声打断：将染色质剪切为100–500 bp片段，适合抗体结合和测序→G4 ChIP：依次孵育FLAG标记的G4特异性抗体和抗FLAG抗体，捕获G4→文库制备：接头标签连接→文库扩增→上机测序。

图8 G4 ChIP-Seq实验流程

面对G4 CUT&Tag与G4 ChIP-seq，如何选择？二者的核心区别在于：前者操作更简、样本量更少、背景噪音更低；后者则样本兼容性更广。下图将助您快速了解关键差异，从而根据实验条件做出决策。

图9 G4 CUT&Tag与G4 ChIP-seq特征对比

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