G-四股結構（G-quadruplex）

1.2.1 G-四股結構的形成

G-四股結構是由一段富含鳥嘌呤（Guanine）序列的基因在特定鹽類濃度以及 酸鹼值的條件下所折疊而成的 DNA 二級結構，四個不相鄰的 Guanine， 兩兩 Guanine 上的氮和氧與相鄰 Guanine 上的氫先以 Hoogsteen 氫鍵鍵結形成一個稱作 G-quartet 的平面（Figure 3A）[23]，由好幾個 G-quartet 平面堆疊便形成了 G-四股 結構（Figure 3B），中心有離子鍵結中心。這些富含 Guanine 的序列形成 G-四股結 構必須有陽離子的參與，如 K⁺和 Na⁺，陽離子依據其離子半徑大小可能位於單一 個 G-quartet 平面中的離子通道（如 Na⁺等比較小的離子）或者是位於兩個堆疊

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G-quartet 的中間形成雙錐反柱體的排列（如 K⁺等半徑較大的離子）（Figure 3C-D），

由於陽離子與 Guanine O6 的靜電力相互抵消，減少了負電排斥力，使得 G-四股結 構的堆疊更加穩定，且已經被證實 K⁺的穩定效果比 Na⁺好[24][25][26]，而在生物 細胞中，K⁺和 Na⁺是不可或缺的，因此在生理條件下是有利於 G-四股結構的形成。

Figure 3. G-四股結構的成型與陽離子錯合圖

（A）四個 Guanine 經由 Hoogsteen 氫鍵形成 quartet 平面 （B）quartet 堆疊成 G-四股結構 （C）（D）分別為 Na⁺(紫色球狀)位於(d(TGGGGT)4)序列 G-四股結構和 K⁺(綠 色球狀)位於(dA(GGGTTA)3GGG)序列 G-四股結構 (摘自 Ref.26)

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1.2.2 G-四股結構的多樣性

G-四股結構因其 DNA 股的數目、股的方向性以及環的排列造成其多樣性。由 單一股序列所形成的為分子內構形（intramolecular），而由兩股以上所形成的則為 分子間構形，常見的有雙分子（bimolecular）和四分子（tetramolecular）（Figure 4A）。

依據每條 Guanine 股的方向又可分為平行（parallel）、反平行（antiparallel）或混合 型（hybrid）（平行和反平行共存）構形（Figure 4B）。由於在連續 Guanine 之間的 鹼基對數目不同，這些連接的鹼基對會形成 G-四股結構的環，以不同的方式將堆 疊的 G-quartet 連接，造成 G-四股結構有多種構形，有三種主要形式：（1）對角線

（diagonal），通常由三個或三個以上的鹼基對組成（2）橫向（lateral），由兩個或 以上的鹼基對組成（3）螺旋槳（或稱雙鏈反轉）（propeller or double-chain-reversal），

最少可由一個鹼基對、最多有六個或以上的鹼基對組成（Figure 4C）。對角線和橫 向形式所連接的兩條 Guanine 股是相反的、反平行的位向，而螺旋槳形式則是連接 兩條相同、平行位向的股，在堆疊結構中將底端的 G-quartet 和頂部的 G-quartet 連 結。不同的環也影響了 G-四股結構的穩定性，而所形成的特定形式則取決於核酸 序列、環的長度和陽離子種類[27][28][29][30]。

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Figure 4. 多種 G-四股結構的構形

（A）不同股的數目所形成的 G-四股結構，分別為單分子(monomer)、雙分子(bimolecular) 及四分子(tetramolecular) （B）依據股的方向性可分為 parallel、antiparallel 和 hybrid （C）

環所連接的三種主要類型（箭頭所指）：對角線(diagonal)、橫向(lateral)和螺旋槳(propeller)

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以人類端粒酶的 G-四股結構為例子，這是一段富含（TTAGGG）n的重複序列，

不同的序列長度會形成不同的 G-四股結構，如兩個重複的 d(TAG₃TTAG3T)序列在 鉀離子溶液中形成螺旋槳式的平行構形和橫向式的反平行構形，而四個重複的 d[(TTAGGG)4TT]序列（26 個鹼基對）在鉀離子條件下形成的是含兩個橫向環及一 個螺旋槳環的混合型構形。此外，近年來發現另一段四個重複的縮短序列─

d[AGGG(TTAGGG)3]（22 個鹼基對），在鈉離子條件下所形成的為單一混合型 G-四股結構，然而在鉀離子溶液中卻形成兩種 G-四股結構，且此兩種構形可以互相 轉換（Figure 5）[30]。由於有許多小分子可以穩定 G-四股結構的構形，因此了解 G-四股結構的多樣性及相互之間的轉換有利於發展可與 G-四股結構結合的小分子

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構，發現可以抑制端粒酶的活性，因此使得 G-四股結構被視為一個有潛力的抗癌 目標[33]。近年來，G-四股結構也被發現在許多啟動子序列中形成，作用為轉錄的 調節者，這些啟動子多為富含 Guanine 的基因序列，且為與細胞生長與增殖相關的 致癌基因，例如：c-MYC[34]、VEGF[35]、HIF-1α[36]、RET[37]、c-KIT[38]、BCL2[22]…

等（Table 1），由於在這些啟動子的序列為雙股螺旋結構，轉錄為 RNA 過程中必 須將雙股打開成為單股，因此可能形成 G-四股結構，一旦形成 G-四股結構，啟動 子的活性便被抑制，使得基因無法繼續轉錄，進而抑制癌細胞的生長（Figure 6）

[39]。此外，G-四股結構也存在基因組的其他區域，如免疫球蛋白開關區[40]、核 糖體 DNA[41]和 RNA[42]…等。由於 G-四股結構的穩定與端粒酶及致癌基因啟動 子活性有相當大的關聯，因此設計小分子穩定 G-四股結構已經成為目前主要的抗 癌治療藥物的發展方向[43][44]。

Table 1. 啟動子序列及人類端粒酶序列比較

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Figure 6. G-四股結構在啟動子中影響

G-四股結構的穩定會抑制啟動子活性，進而使得基因無法轉錄[39]