與眾不同的結構標的：端粒的鳥嘌呤四股結構的多樣性

自1960 年 Watson-Crick 確立出的雙股螺旋結構的染色體之後，基因體的結構 就一直如火如荼的被解謎。Alexander Rich 教授在 Gene 期刊上發表一篇重要的文 章’DNA Comes in Many Forms’， ²⁰明確指出基因體並非簡單的雙螺旋構造而是具有 更多複雜的多股結構。因此吾人將在此小節跟循學者們的腳步來發現端粒的特殊結構

－鳥嘌呤四股結構（G-quadruplex）。

在 Rich 教授早期的研究中，便已經透過結晶繞射發現三股及四股平面結構的存 在，如圖 1.10A。²¹白色圓圈指氧原子，而斜線圓圈則指示氮原子，虛線則是氫鍵連 結的代表。形成這樣的多股結構似乎並不算穩定，因為所涉及的氫鍵數量明顯不足於 雙股配對的穩定。進一步 Gellert 教授也在基因體發展的早期發現鳥嘌呤四方結構

（Guanine Quartet），如圖 1.10B，所形成的氫鍵數量比雙股配對來的多；每個鳥

嘌呤都分享了四個氫鍵，因此是相當穩定而在生物體常出現的結構，特別是在含 豐富鳥嘌呤的序列片段，其中端粒即是。²²

圖1.10 A. DNA 的三股與四股平面結構。²⁰ B. 鳥嘌呤四方結構。²³

在 1993 年 Patel 教授率先利用核磁共振技術（NMR）解出在鈉離子溶液條件 的端粒片段 Hum22：d[AG3(T2AG3)3]結構，如圖 1.11A，是逆平行的菜籃狀。²⁴在 此結構當中共有三個鳥嘌呤四方結構，形成更大的錯合體，並且在層與層中恰好 擺入了鈉離子以穩定並平衡此結構的存在。在繞曲的DNA 結構上具有其特徵的旋 光光譜訊號（Circular Dichroism），如圖1.11C 中藍色為鈉離子溶液態的旋光光譜，

分別在295 nm 以及 240 nm 有明顯的正值峰，在 265 nm 附近則呈現明顯的負值峰。

圖1.11 近年解出的端粒片段 Hum22 結構 A.於鈉溶液。 B.於鉀結 晶態。²⁵ C.旋光光譜於鈉及鉀溶液。²⁶

接著2002 年 Neidle 教授利用結晶繞射解出了結晶態含鉀離子的端粒片段結構，

如圖1.11B。²⁷這個結構當中懸股（TTA-Loop）纏繞的方式採取平行的螺旋槳狀，

中間所含的依然是三層的鳥嘌呤四方結構，但中間嵌入的則是鉀離子。由於這個 結構是由結晶所解出，因此可觀察到整體結構是較為緊實，是因結晶堆疊之故，

因此失去了在生理條件下的自然環境，在結構上鉀離子的離子半徑相對比鈉離子 大，因此所撐開的鳥嘌呤四方結構層板的高度會較高，在溶液相將是相對具有較 高的自由度，而難以被研究。在研究鉀離子溶液模式結構的時期，Xu 教授與 Sugiyama 教授所發表的旋光光譜上的訊號相較比鈉離子溶液複雜許多（圖 1.11C）。

26其中除了與鈉離子相同的295 nm 及 240 nm 的正值峰與在 260 nm 的負值峰依舊 存在；但是明顯的可以看出在270 nm 左右的肩線（Shoulder）存在，並且在原有 的吸收峰都較為寬胖，因此可推斷鉀離子的溶液模式可能多樣而複雜。

在圖1.11A 與 B 之間尚有一項重要的差異。由於懸股的纏繞及所含離子模式 不同，鳥嘌呤四方結構當中鳥嘌呤的位向也有所不同，圖中紫色表是為異側（anti）

位向,青色指的則是同側（syn）位向。在 Rich 教授的文章中提到，通常雙股螺旋 當中所堆疊的配對都是以異側位向為主，而同側位向則少見於一般的DNA 結構當 中。²⁰重新審視鈉離子的結構是含有同側及異側雙駢的堆疊，在鉀離子晶體中則僅 發現到全為異側位向的鳥嘌呤存在。

由於細胞核中以鉀離子為主，因此追求鉀離子溶液態的端粒結構即成為重要 的課題，在Xu 教授以及 Sugiyama 教授兩團隊的研究中，發展了利用溴取代的鳥 嘌呤 8 號位置的甲基，利用結構上立體障礙相對較小，來驅使異側對同側位向的 平衡能更容易向同側位向修正，如圖 1.12A，並且穩定可能的溶液態結構。²⁸由 NOESY 所確定鳥嘌呤四方結構由三個以溴取代設計為同側位向以及一個自然異 側位向的鳥嘌呤相駢而成模型（圖1.12B）。²⁹

圖1.12 A. 利用溴取代紅圈位置來引發平衡向左。²⁸ B. 穩定的溴取 代鳥嘌呤四方結構示意圖。²⁹

接著2006 年 Patel 教授分別發表了兩個修飾的端粒片段 d[TA(GGGTTA)3GGG]

以及d[TA(GGGTTA)3GGGTT]在鉀離子水溶液中的結構（圖 1.13A 及 B）。^30-31如 同以溴取代的模型所預測，所鑑定出皆是以（3+1）的同側對異側的鳥嘌呤四方結 構，藉此也確定在結晶結構中全為異側的鳥嘌呤的結構差異性。在這兩個鉀離子 溶液結構當中，懸股皆是以混合前述鈉離子溶液以及鉀離子晶體模型的纏繞方式。

在比較圖1.11C 中的鉀離子旋光光譜訊號以及圖 1.13D 與 E 中的確定結構模型之 光譜，不難發現在前述的曲線中的肩線很可能肇因於模式2 所擁有的 270 nm 左右 的正值吸收峰；相對在250 nm 的正值吸收峰則可能是模式 1 所貢獻。在圖 1.13D 與 E 中，紅色標示曲線為利用溴取代鳥嘌呤所確定的光譜，虛線則為自然狀態下 的結果，兩者在趨勢上是相近的。

但是在鉀離子溶液下的結構並不僅有上述兩種，在 2009 年 Patel 教授更進一 步發表了只有兩層鳥嘌呤四方結構的模型，圖1.13C。此模型與鈉離子溶液的結構 十分的相近，都屬於逆平行的菜籃狀。²⁵但是在一般認知中的 TTA 懸股上首次出 現尚未形成鳥嘌呤四方結構的鳥嘌呤，即（GTTA）以及（GTTAG）。並且在旋 光光譜中（圖1.13F）更明顯能夠區分出 270 nm 以及 250 nm 兩組正值吸收峰。這 一系列鉀離子模型暗示在人類細胞中的端粒片段可能存在的結構多樣性與其複雜 度。

圖1.13 Hum22 鉀離子溶液態結構 A. 模式 1。 B. 模式 2。 C. 模式 3。

及其對應的旋光光譜 D. 模式 1。 E. 模式 2。 F. 模式 3。²⁵