可逆光控DNA G-四链体靶向分子G4switch实现基因表达的时空精准调控

《Nature Chemistry》：Optical control of gene expression using a DNA G-quadruplex targeting reversible photoswitch

编辑推荐：为解决传统小分子缺乏时空精准调控能力的问题，剑桥大学研究人员开发了一种可见光可逆调控的DNA G-四链体(G4)结合剂G4switch。该分子通过405/525 nm光照可逆切换构象，在细胞中实现G4结构的动态稳定与基因表达调控，为研究G4介导的转录调控机制提供了新工具，相关成果发表于《Nature Chemistry》。

　　在基因表达调控领域，DNA二级结构G-四链体(G-quadruplex, G4)的形成与转录调控密切相关。这些由鸟嘌呤富集序列形成的特殊结构，在人类基因组中富集于癌症基因启动子区，被认为是转录因子的结合枢纽。然而，传统G4配体如吡啶并斯塔汀(PDS)虽能稳定G4结构，却无法实现时空精确调控，严重限制了对G4动态形成与转录调控关系的解析。

剑桥大学Balasubramanian团队在《Nature Chemistry》发表的研究中，开发出首例可见光可逆调控的G4靶向分子G4switch。该研究通过将二氮杂环辛烷(diazocine)光开关模块与G4结合基团巧妙结合，构建出化合物9，其反式(trans)构象对G4 MYC结构的结合亲和力(K_d=0.46±0.02 μM)较顺式(cis)构象提高10倍。通过圆二色谱(CD)证实，405 nm激活的trans-9能特异性稳定平行型G4结构，且该过程可逆循环10次以上不衰减。

研究采用多项关键技术：1) 荧光竞争置换实验(FID)定量不同构象结合力；2) Chem-map技术绘制全基因组G4结合位点，发现trans-9结合16,310个位点，86%与G4-seq预测位点重叠；3) SLAM-seq检测新生RNA，揭示405 nm激活的trans-9下调311个基因表达，其中87%存在G4switch结合位点；4) 晶体紫染色实验证明125 nM 9联合405 nm光照可空间特异性抑制U2OS细胞增殖(存活率<40%)。

研究结果部分显示：
"Design and characterization of G4switch"：基于二氮杂环辛烷设计的化合物9在生理条件下(t_1/2=2.6 h, 37°C)展现快速可逆光异构化，trans构象对G4 MYC的选择性结合能力较cis构象高10倍，且不结合双链DNA。

"Mapping the binding sites of 9 in cells upon light exposure"：Chem-map揭示trans-9主要结合活性启动子区的内源性G4结构，与G4抗体BG4定位位点高度重合(14,310/16,310)，且可被PDS竞争性抑制。

"Reversible optical modulation of gene expression in live cells"：SLAM-seq显示光激活trans-9显著下调FOS、JUN等癌基因表达，该效应可通过525 nm光照部分逆转(68%基因表达恢复)。空间选择性光照实验证实，G4switch可在同一培养板实现区域特异性细胞增殖抑制。

该研究首次实现DNA靶向小分子对基因表达的时空精准调控，突破传统光遗传学需要基因改造的局限。G4switch为解析G4动态形成与转录调控的因果关系提供新工具，其模块化设计策略为开发其他核酸靶向光控分子奠定基础。未来可应用于癌症表观遗传学研究，或发展为新型光控基因治疗手段。