Rosalind Franklin、Francis Crick和James Watson

1953年，在Rosalind Franklin的指导下，James Watson和Francis Crick发现了DNA的双螺旋结构，这一发现开启了现代分子生物学的大门，由此我们知道DNA深藏于我们体内的细胞深处，60亿个鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）精确地“指导”着我们身体的构建和运作方式，科学家也通过这一发现开始解开遗传密码的许多谜团。

其实在实验室中，科学家已经鉴定了许多非双螺旋形式的DNA结构，包括A-DNA，Z-DNA和十字形DNA，尽管这些结构也有可能存在于活的人类细胞中，但均仍未得到证实。虽然2013年，一种被称为G-quadruplex DNA的DNA结构在人类细胞中被拍摄到，但该结构功能仍在探索之中，所以到目前为止，只有双螺旋结构是公众默认的DNA结构类型。

艺术家对细胞内i-motif DNA结构的印象，以及用于检测它的抗体工具。图片来源：Chris Hammang

然而，一项最新研究颠覆了65年来的人们对DNA结构的广泛认知，来自澳大利亚Garvan医学研究所的研究人员发现双螺旋并不是DNA唯一的存在形式，他们检测到了一种新的DNA结构，科学家将它称为“i-motif”，它是一个扭曲的四链结构（似乎更像一个曲别针），并且可能在DNA的表达中起着至关重要的作用。这一发现完全颠覆了我们从高中就开始学习的DNA双螺旋结构的知识点，为带有标志性的DNA双螺旋研究带来极大的震撼。该研究结果已在新发表于Nature Chemistry期刊上，题为“I-motif DNA structures are formed in the nuclei of human cells”。

其实早在20世纪90年代，科学家就在实验室中观察到，DNA会以一种缠结的方式存在，但一直以来，人们发现这种形式似乎只在酸性条件下才出现，类似的结构也从未在试管外的活细胞中被检测到。为弄清楚这种DNA结构的存在特性与作用，在最新研究中，澳大利亚Garvan医学研究所的研究人员开发了一种具有高选择性和亲和力的抗体片段，能够识别鉴定基因组中的i-motif结构，并进行免疫荧光标记，帮助人们了解这些DNA四链结构发生的频率和位置。在试验过程中，研究人员已证实该抗体片段不会识别双螺旋形式的DNA或者G-四联体结构。

i-motif 结构抗体片段特异性识别，图片来源：Nature Chemistry

文章的第一作者Mahdi Zeraati博士谈到，最令我们兴奋的是，我们可以在研究中真实的观察到这些i-motif结构，由于抗体识别形成的绿色荧光斑点会随着时间的推移而出现、消失，由此我们知道它们正在形成、溶解。

该研究中，研究小组发现i-motif结构仅存在于基因组相对较小的区域中，看起来就像DNA双螺旋结构中的一个结。颠覆我们认知的是，在i-motif结构中，两条DNA单链的胞嘧啶（C）是与胞嘧啶（C）结合，而不是通常认知的鸟嘌呤（G），在同一条DNA链上的胞嘧啶（C）也会彼此结合，胞嘧啶居然移情别恋······

“曲别针”DNA结构渲染图，图片来源：Nature Chemistry

此外，试验中研究人员不仅在活的人体细胞中检测到了i-motif结构，也证实该DNA结构普遍存在于活细胞中。在双螺旋结构中，腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）形成碱基对，胞嘧啶（C）与鸟嘌呤（G）形成碱基对，碱基对堆叠在一起，通过两股绕在它们周围的磷酸糖骨架形成双螺旋结构，并且该结构在蛋白质合成中起到重要作用。研究人员认为，既然i-motif结构存在于活细胞中，这也许表明该结构在细胞生物学中可能起重要作用。

研究团队还发现，该结构还可以进行展开和折叠，并依赖于细胞周期和周围环境的酸度，并证实i-motif结构大多形成于细胞生命周期中一个特定阶段——G1晚期，这是DNA被“读取”得到阶段。而且i-motif结构通常形成于基因组中富含胞嘧啶的区域，包括启动子和端粒区域，证明其可能是某种基因的开关，具有关键的调控功能。

Zeraati 博士认为，i-motif结构的形成和消失可以成为细胞周期研究的关键，似乎它们的存在是为了帮助细胞打开或者关闭某些基因，最终影响该基因是否被主动读取。

Garvan医学研究所的Daniel Christ教授与Marcel Dinger教授共同领导了这项研究。Daniel Christ教授表示，当我们大多数人想到DNA时，脑中浮现的就是双螺旋结构，这项新研究则提醒我们细胞中还存在完全不同的DNA结构，这对我们的细胞研究很重要。同时，i-motif结构的短暂性也解释了为什么此前我们很难在细胞中追踪它们。

Marcel Dinger教授表示，能够发现细胞中一种全新的DNA结构是非常令人兴奋的，该发现为推动深入了解新DNA结构的真正意义以及是否会影响DNA的形成奠定了基础，对发现新的DNA结构和功能提供技术支持，也为健康和疾病研究研究工作奠定理论基础。

同时研究人员也表示，也可能这些DNA结构根本不重要，但这一新结构的发现与证实清楚地表明，不同DNA结构可能在基因读取和表达中扮演着重要的角色，我们的DNA还有更多谜团等待我们去解开。

参考文献：

1.Forget the Double Helix—Scientists Discovered a New DNA Structure Inside Human Cells

2.I-motif DNA structures are formed in the nuclei of human cells

3.Found: A new form of DNA in our cells