第一章 前言
1.3 人類端粒 G-四股結構 ( G-Q UADRUPLEX )及其結構多樣性
先前提到在人類染色體尾端粒的 3’端，有一段 50-200 bp 富含鳥糞嘌呤
的
單 股核苷酸序列(TTAGGG)n30。 In vitro 的實驗證明在有適當的單價陽離子存在時，G-鹼基會藉由 Hoogsteen 氫鍵鍵結，形成穩定的 G-quartet6 ，由 G-quartet 堆疊形 成 G-四股結構。Zahler 與 Williamson 提出此結構可以抑制端粒酶36 (圖 1.4)，使 得端粒酶的 RNA 模版不易與之鍵結，阻斷端粒酶作用而無法延長端粒長度，可 能調控端粒的長度，而且與末端保護的作用有關27,29，除了推測 G 四股結構可能 的生物調控作用之外，由於先前提到大多數的癌細胞，都能觀察到端粒酶有過度 表現的現象，使得端粒酶可以做為抗癌藥物之標的物 35，Mergny 等人進一步提 出針對 G-四股結構設計藥物，用來穩定 G 四股結構抑制端粒酶37(圖 1.4)。
圖 1.4 G 四股結構抑制端粒酶示意圖
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由於富含 G 的序列可能形成不同構型的四股結構，尤其在不同的條件下，
例如: 鈉或鉀離子的離子直徑不同，另外 G 的鹼基與醣基扭轉角度有反側 (anti) 和同側 (syn) (圖 1.5)兩種可能性38，strand 的方向性分成平行與非平行，非平行 包含混和型 (hybrid) 及反平行 (antiparallel) (圖 1.6)，通常會利用 CD 光譜作為 區分平行與非平行四股結構的訊號，平行四股結構的特徵訊號為 265nm 的最大 正值訊號而非平行四股結構則是以 295nm 的最大正值訊號為特徵訊號 (圖
1.7)39,40，另外四股結構的 loop 有三種不同的纏繞方式，分別是 lateral loop、
diagonal loop 及 propeller loop (又稱 double-chain reversal loop) (圖 1.8)41，這三種 loops 加上考慮鹼基與醣基扭轉角度與 strand 的方向性，可以有 26 種不同的結構 (圖 1.9)42，因此造就了結構上的多樣性，若是單一利用 CD 光譜已經無法精確的 確定完整的四股結構，必需要利用對結構有高解析度的技術，例如 NMR 及 X-ray。
圖 1.6 G-四股結構 strand 的方向性: (a)平行 parallel，(b)混和型 Hybrid， (c)
& (d)反平行 antiparallel。
(a) (b)
圖 1.5 (a)反側 anti 結構 ，(b) 同側 syn 鳥糞嘌呤四股結構。
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圖 1.7 CD 光譜圖代表 parallel 以 265nm 最大正值訊號為主(實線)，代表 anti-parallel 以 295nm 最大正值訊號40。
(a)
(c) (b)
圖 1.8 G 四股結構 loop 的三種結構:(a) lateral loop，(b) propeller loop(double – chain reversal)，(c) diagonal loop。
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圖 1.9 26 種不同 G 四股結構以 lateral loop、propeller loop(double –chain reversal) loop 及 diagonal loop 做環繞方式。
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在 1993 年， Patel 團隊利用核磁共振光譜（nuclear magnetic resonance, NMR）
解出第一個人類端粒 d(AGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGG) (A-HT21)在鈉離子 溶液中的四股結構，為一反平行籃型構型(anti-parallel basket type)43(圖 1.10a)。
到了 2002 年，Neidle 團隊利用 X-ray 解出 A-HT21 在鉀離子單晶中為一平行螺 旋型四股結構 (parallel propeller type)44 (圖 1.10b)。然而從 CD 光譜顯示 A-HT21 在鉀離子的四股結構不完全類似於平行的四股結構 45，之後 Chaires 團隊用 sedimentation 及螢光實驗發現鉀離子溶液中的 A-HT21 結構與 X-ray 解出來的似 乎不同46。直到 2006 年及 2007 年， Patel 團隊利用 NMR 光譜分別解出在鉀離 子溶液下 d(TAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGG) (TA-HT21)47 為 hybrid-I (圖 1.10c) 和 d(TAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGTT) (TA-HT21-TT)48 為 hybrid-II(圖 1.10d)，都是混合型的平行構型，同時間 Yang 團隊49與 Sugiyama 團 隊 50 分別也提出 hybrid-II 的構型，從結構上來看，hybrid-I 與 hybrid-II 兩者的 差別在於雙重鏈 (double chain reversal) 與橫鏈 (lateral loop)的順序不同，這些結 果證實 X-ray 單晶結構與溶液中結構的確不同。
2009 年，Phan 與 Patel 團隊解出了 d(GGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGT) (HT21-T)為反平行籃型 (anti-parallel basket type) (圖 1.10e)，但只有兩層 G-quartet 平 面 51， 同 年 ， Phan 團 隊 又 解 出 了 變 異 人 類 端 粒 序 列 CTAGGG ， (AGGGCTAGGGCTAGGGCTAGGG) (CTA22) 為反平行椅型四股結構 52 (圖
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(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
圖 1.10 (a) 反平行籃型 (b) 平行螺旋槳型 (c) 第一種混合型 (d) 第二種混合型(e) 反平行籃型(兩層 G-quartet) (f) 反平行椅型之 G-四股結構。
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