簡介

人類端粒四股結構在鈉、鉀離子中的結構轉換

人類端粒四股結構的多樣性，使得許多研究團隊對不同結構之間的關聯特別 有興趣，由於四股結構對離子有不同的選擇性，所以對於離子交換的過程與結構 之間的變化有更多的可能性，1990 年 Sen 說明了鈉、鉀離子影響端粒四股結構 的轉換，並且推測在生理條件下可能會發生⁷⁷，所以人類端粒四股結構的轉換在 生物活性上或設計四股穩定劑相當具有重要性。先前提到到人類端粒四股結構最 早是在鈉離子溶液下利用 NMR 所解出，為反平行籃型的結構 ⁴³。隨後在 2006 年 Yang、Patel 與 Sugiyama 團隊分別解出了人類端粒四股結構在鉀離子溶液的 NMR 結構 ^46,48-49，由於需要定出完整結構，所以他們分別擷取 5 端與 3 端鹼基 序列或是利用變異的序列來解結構，而他們三個團隊的結果都得到在鉀離子溶液 的 NMR 結構為混和型結構。因此根據 NMR 的結果，人類端粒四股結構在鈉、

鉀離子條件下的結構相當不一樣，又已知鉀離子又比鈉離子對四股結構穩定性較 好，所以 Yang 進一步提出了結構轉換的模型(圖 3.1 a)⁴⁹，說明了在鈉離子的反 平行籃型四股結構在加入鉀離子後會發生結構轉變，對應 CD 光譜與 NMR 光譜 的光譜轉變的結果。由於鈉/鉀離子交換所誘導的光譜轉變相當快，Chaires 團隊 根據先前 Yang 團隊所提出的模型，進一步利用 CD 光譜的 291 nm 訊號與 265 nm 訊號從事動力學的量測，推測開始是離子在數百微秒之間先行交換，接者有結構 的解開，然後才有重新摺疊的過程，根據 fitting CD 訊號的結果提出結構轉換發 生時間約在數十秒至數百秒 (圖 3.1 b) ⁷⁸。

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(a)

(b)

圖 3.1 (a) Yang 團隊利用 A-HT21 鈉鉀離子交換 CD 光譜的實驗結果，

提出的鈉鉀交換所引發的結構轉換過程⁴⁸

(b) Chaires 團隊對 A-HT21 結構轉換過程的動力學研究⁷⁸

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根據 Yang 等人提出的模型，認為人類端粒四股結構在鈉、鉀離子的不同所 造成的光譜轉變是由於結構上的轉變，因此轉換過程中會引發原本的四股結構解 開並再摺疊成新的混合型四股結構。 Fegion 團隊 ⁷⁹ 所報導的草履蟲端粒序列 (G₄T₄G₄)₂ 的四股結構在鈉/鉀離子交換過程中，只有引發離子交換，並沒有結構 上的大幅變動。 其中(G4T4G4)2 在鈉離子跟鉀離子條件下都是反平行籃型結構 (圖 3.2 )，雖然這兩個的條件下的 CD 與 NMR 光譜不同，但在鈉離子條件下一加 入鉀離子，馬上就變成鉀離子條件的光譜，他們認為這麼快的轉換，只有離子交 換與 loop 的結構小幅變動，而不是經由大幅結構變化；如果有發生結構轉變，

解開的過程需要跨越一定的能障，導致轉換的時間變長。另外，Vorlickova 團隊

80發現不同人類端粒序列會有 CD 訊號上的差異，特別是 5 端與 3 端增加鹼基會 造成 CD 265 nm 訊號上升，但結構卻沒有太大差異，而類似的四股結構在 CD 光譜訊號也會不同，說明 CD 光譜的改變不一定是由於結構的改變。

圖 3.2 Fegion 團隊所報導的草履蟲端粒(G₄T₄G₄)₂ 四股結構在鈉鉀交換的結構 與光譜圖

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(a)

(b)

圖 3.3 本實驗室所報導的人類端粒四股結構在鈉鉀交換的過程，(a)利用 BMVC 小分子來討論 HT24 (T₂AG₃)₄ 鈉鉀交換的過程⁸¹。(b)利用單分子實驗觀察人類 端粒四股結構在鈉鉀交換的過程⁸²。

- 36 - 利用單分子 tethered particle motion (TPM)的技術，確認鈉/鉀轉換過程沒有大幅的 結構解旋過程 (圖 3.3 b)⁸²，所以轉換的過程只有離子交換和 loop 結構小幅變化，

呼應先前在 Fegion 團隊的結果。2009 年，Phan 與 Patel 團隊用 NMR 解出 d(GGGTTAGGGTTAGGGTTAGGGT) ( HT21-T) ⁵¹ 為反平行籃型(anti-parallel basket type)，類似 1993 年人類端粒四股結構在鈉離子的結構，但只有兩層

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換的結果，考量四股結構相對穩定，而快速的光譜轉換過程，也不支持大幅結構 的改變，所以至今都還沒有明確的解釋。

圖 3.4 Yang 團隊所提出的進一步鈉/鉀交換機制，經過結構為兩層 G-quartet 反 平行籃型四股結構的中間態⁸³。

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