DNA超螺旋介导的G4/R-loop形成通过调控RNA聚合酶可及性实现转录开关效应

本期推荐：研究团队通过单分子FRET和凝胶迁移实验，揭示了DNA负超螺旋通过促进G-四链体(G4)和R-loop协同形成来调控转录的动态平衡机制。发现负超螺旋可使转录频率提升10倍，而G4/R-loop结构通过吸收拓扑张力形成"分子开关"，为理解基因表达调控提供了新视角。

　　在基因表达的精密调控网络中，DNA的拓扑结构变化如同隐形的指挥家。传统认知中，RNA聚合酶(RNAP)沿着DNA模板行进时会产生机械力，使前方DNA形成正超螺旋，后方产生负超螺旋。这种动态的拓扑张力如何转化为基因调控信号？特别是当DNA序列含有鸟嘌呤富集区(PQS)时，可能形成特殊的G-四链体(G4)结构，与转录过程中产生的DNA:RNA杂交体(R-loop)会产生怎样的协同效应？这些问题的解答对理解癌症等疾病中异常基因表达至关重要。

来自美国约翰斯·霍普金斯大学的研究团队在《Nature Communications》发表突破性研究，通过创新的单分子检测技术，首次捕捉到超螺旋DNA中G4/R-loop动态形成的全过程。研究人员构建了3.7 kb的荧光标记质粒系统，结合实时荧光信标检测、凝胶迁移实验和单分子FRET/PIFE技术，建立了从纳秒到分钟级的多尺度观测体系。特别设计的[FRET1]和[FRET2]探针分别实现了对G4/R-loop形成过程和转录起始事件的纳米级精确定位。

"位置决定命运"是本研究的关键发现之一。当PQS位于转录起始位点(TSS)下游10-20 bp时，转录抑制效果最强；而位于30 bp时抑制减弱，到60 bp时又出现二次抑制峰。凝胶电泳显示这种"双相模式"与R-loop介导的拓扑松弛直接相关：RNase H处理可使松弛的质粒恢复超螺旋状态，证实R-loop是结构转变的核心介质。单分子FRET更捕捉到惊人的动态细节——97.5%的G4形成前都先出现瞬时R-loop(E~0.7)，随后才转变为稳定G4/R-loop复合体(E~0.9)。

研究揭示了"先促进后抑制"的双重调控机制：负超螺旋如同上紧的发条，使RNAP加载频率提升10倍；而爆发的转录又通过累积的拓扑张力促进G4/R-loop形成，这些结构如同"分子减震器"吸收超螺旋能，使DNA松弛并关闭转录。这种自限性调控在加入拓扑异构酶I(Topo I)后消失，证实超螺旋是调控核心。计算模拟显示，G4/R-loop形成速度与启动子区超螺旋密度变化完美吻合。

该研究突破了线性DNA模型的局限，首次在生理相关拓扑状态下解析G4/R-loop的时空动态。发现的"转录爆发-结构反馈-自我抑制"机制为解释原癌基因的脉冲式表达提供了新范式。技术层面开发的质粒内标FRET方法，为研究长链DNA的力学-化学耦合开辟了新途径。这些发现对靶向G4的抗癌药物设计和基因表达精准调控具有重要启示意义。