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生科院馮啟理教授團隊在DNA高級結構領域研究取得重要進展

2021-01-23 16:02:25 來源:MG娱乐 點擊: 收藏本文



1953DNA雙螺旋結構的發現標志著現代分子生物學新紀元的開始。生物細胞內DNA通常以腺嘌呤(A)與胸腺嘧啶(T)和鳥嘌呤(G)與胞嘧啶(C) 堿基配對的雙螺旋形式而存在并發揮功能。近年來越來越多研究發現, DNA分子上多個G的連續重復出現,可形成G-四鏈體(G4)高級結構;多個C的連續重復出現,可形成i-motif高級結構,這些非正常堿基配對所形成的非雙螺旋二級結構可能參與了基因轉錄、端粒壽命、DNA復制及蛋白翻譯等重要細胞功能的調控。

生科院馮啟理教授團隊于2018年和2019年首次發現家蠶轉錄因子BmPOUM2基因的啟動子存在G4i-motif結構,并鑒定出分別與這些結構結合的調控蛋白BmLARKBmILF, 分析了高級結構對基因轉錄調控功能(Niu et al., 2018Nucleic Acids Research,; Niu et al., 2019Nucleic Acids Research)。20203研究團隊通過免疫熒光染色的方法進一步在家蠶精巢組織和中國倉鼠細胞等無脊椎和脊椎動物的活體細胞基因組DNA中證實了G4i-motif高級結構的存在(Niu et al., Nucleic Acids Research, 2019Tang and Niu et al., Epigenetics and Chromatin, 2020),并且發現這些結構的形成受到細胞pH值和細胞周期等因素的影響。

20206該研究團隊進一步鑒定出G4結合蛋白BmLARKG4結構結合的關鍵結構域和關鍵氨基酸 Peng et al., 2020, Insect Science)。 研究發現,BmLARK的兩個RNA識別區域(RRM1RRM2)的同時存在是該結合蛋白能夠與G4高級結構結合所必需的,同時, RRM1結構域的氨基酸F10F89RRM2結構域的氨基酸F44F123BmLARKG4結合的關鍵氨基酸。

2021122國際學術刊物Communications Biology在線發表了研究團隊題為Genome-wide analysis of DNA G-quadruplex motifs across 37 species provides insights into G4 evolution 37生物物種基因組G4序列分析揭示G4結構的演化)的最新研究成果該研究對生物進化關鍵節點上的37個物種(包括酵母、瘧原蟲、草履蟲、盤基網柄菌、曼氏血吸蟲、扁形蟲、細粒棘球蟲、海葵、珊瑚、水蛭、線蟲、圓線蟲、絲蟲、青螺、雙斑鞘、牡蠣、海蠕蟲、加利福尼亞、意大利蜂、家蠶、帝王蝶、果蠅、海膽、矛尾魚、文昌魚、斑馬魚、熱帶爪蟾、高山倭蛙、蜥蜴、中華鱉、紅原雞、地山雀、鴕鳥、鴨嘴獸、綿羊和人)的全基因組進行了DNA 高級結構的序列分析和部分物種的染色體免疫組化分析,結果發現,DNA G4結構普遍存在于這些物種的基因組中,從低等的單細胞生物到高等哺乳動物和人的基因組中都存在G4結構 隨著物種從低等到高等的G4結構的數量、頻率和密度以及含有G4結構的基因數目均呈現逐漸增加的趨勢,并且在高等生物中G4結構更加密集地出現在基因的調控區中,暗示其出現可能成為生物基因調控的一種新機制。此外,DNA甲基化修飾與DNA G4結構的出現呈現負相關的關系通過大尺度生物基因組DNA G4結構的進化分析,研究提出了G4結構是生物在進化過程中逐漸化出來的一種新的基因表觀遺傳調控機制的學術觀點。

這些研究具有重要科學意義和應用價值。生物體中的DNA分子可能并不總是以DNA雙螺旋結構的形式存在,在某些條件下,會形成高級結構。這些DNA高級結構可能是一種新的基因表觀遺傳調控機制這些參與基因轉錄調控的DNA高級結構及其結合蛋白有可能成為調控生物生長發育和疾病治療的新靶標位點。

在該Communications Biology論文中,吳鳳、牛康康和崔勇為共同第一作者,我校馮啟理教授、相輝教授和美國密蘇里大學宋齊生教授為共同通訊作者,為第一完成單位。研究受到國家自然科學基金重點項目和重點國際交流與合作項目的資助。


相關論文鏈接:

1. Communications Biology2021

(http://www.nature.com/articles/s42003-020-01643-4)

2. Epigenetics and Chromatin, 2020

(http://epigeneticsandchromatin.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13072-020-00334-y)

3. Insect Science, 2020 

(http://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/1744-7917.12831)

4. Nucleic Acids Research, 2019 (http://academic.oup.com/nar/article/47/14/7306/5511465)

5. Nucleic Acids Research, 2018 (http://academic.oup.com/nar/article/46/4/1710/4670954)

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Figure 1. 37個物種的G4結構進化格局分析


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Figure 2. GC含量分析和代表性物種染色體中G4結構的分布


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Figure 3. 免疫熒光直觀展示代表性物種基因組中的G4結構


作者:牛康康

審稿:林偉濤


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