G-四聯體簡述

G-四聯體為單股 DNA 中，鹼基富含鳥嘌呤的序列 (Guanine-rich sequence)

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可能會在特殊的環境之下，折疊成的一種 DNA 二級結構。在 DNA 雙股螺旋結 構尚未被解出之前，Bang 於 1910 年發現高濃度 (25.0 mg/ml) 的單磷酸鳥苷 (5’Guanylic acid) 在 pH=5 時能形成非常黏稠的液體，並在降溫之後形成透明的 凝膠狀，當時雖然無法解出單磷酸鳥苷形成了什麼構形，但他認為單磷酸鳥苷應 該並非以單體的形式存在[23]。1962 年，被 Gallert 的團隊同樣對此凝膠狀物進 行研究，他們量測凝膠的旋光性，並使凝膠乾燥，以X 光繞射的方式解出單磷酸 鳥苷可以四聚體的方式形成螺旋結構 (helix structure)[24]，這種平面結構後來被 稱為G-平面四方結構 (G-quatet)。

圖八、Gallert 提出的單磷酸鳥苷凝膠中鹼基對的排列而成的 G-平面四方結構結 構。摘錄自參考資料[24]。

1972 年，Miles 發現單磷酸鳥苷在 pH=7~8，並且含有鈉離子的條件下，G-平面四方結構也可能形成[25]，並且他與 Becker 合作發現這個結構在核磁共振光 譜的時間尺度下，氫鍵的變化速度不快，他們也測試了鹼金族其他的陽離子，發 現鈉、鉀、銣離子存在的情況之下有 G-平面四方結構生成，而鋰或銫離子中沒 有特殊的結構的產生[26][27][28]。而在 1990 年代，研究的興趣漸漸轉向 G-平面 四方結構在生物體內的影響，在單股 DNA 中形成的 G-平面四方結構如圖九所 示，由兩個以上的 G-平面四方結構堆疊而成，此結構稱為 G-四聯體 (quadruplex)，其中，線的箭頭代表了 DNA 5’端至 3’端的方向性。在 DNA 形成 G-四聯體的結構時，其內部鹼基的氫鍵並非在雙股螺旋中所知的Watson-Crick 鹼基

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配對，而是如圖九左側的四個鳥嘌呤 (Guanine) 之間產生氫鍵，稱為 Hoogsteen 鹼基配對。

圖九、G-平面四方結構以及 G-四聯體。摘錄自參考資料[29]。

如前段所述，單磷酸鳥苷在部分鹼金族的陽離子當中有 G-平面四方結構的 產生，其中，鈉與鉀離子為生物體中常見的鹼金族陽離子，許多研究也指出鈉與 鉀離子能夠穩定並幫助特定的 G-四聯體產生，G-四聯體中間有離子通道 (ion channel)，陽離子在通道中的作用為分散鹼基中的電子密度。此外陽離子也可能 在G-四聯體的環上分散 DNA 骨架 (backbone) 上的負電荷，因此陽離子的存在 對於穩定 G-四聯體的生成扮演重要的角色。其中鈉與鉀離子在離子通道間的位 置也和離子大小有關，鈉離子的半徑約為 0.95Å，而鉀離子半徑約為 1.33Å，圖 十中顯示在 d(GGGGTTTTGGGG) 形成的 G-四聯體中，鈉、鉀離子分別位在平 間上與平面-平面之間中間以穩定 G-四聯體結構[30]。

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圖十、d(GGGGTTTTGGGG)形成的 G-四聯體與鉀、鈉離子相對位置示意圖，紅 球為鉀離子，綠球為鈉離子。摘錄自參考資料[30]。