Page 55 - 第九版生物化学
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40 第一篇生物大分子结构与功能
屯 kk y, 201 8 (:/!)kky,2018
的核昔酸序列富含嗦呤时，对应的互补链必然是富含瞪唗，它们形成了正常的 DNA 双链 。 如果还有
一条富含啼唗的单链（其序列与富含瞪唗链具有极高的相 似度），并且环境条件为酸性时，这条链上
的啼唗就会与双链中的嗦呤形成 Hoogsteen 氢键，从而生成了 DNA 的三链结构 (triplex) 。 入们曾经利
用这样的三链结构来尝试着调控基因的表达 。 根据某些基因的序列特征（例如富含嗦呤的序列），人
们设计了富含啼唗的 寡核昔酸链。 由千这条寡核昔酸链与这一段双链 DNA 的序列有 着碱基互 补关
系，它可以嵌入在双链 DNA 的大沟中形成了三链结构，以此干扰调控因子的结合，影响该基因的复制
或转录 。
真核生物染色体 3'-端是一段高度重复的富含 GT 的单链，被称为端粒 (telomere) , 例如入端粒区
的碱基序列是 (TIAGGG) n, 其重复度可达数百乃至上千 。 作为单链结构的端粒，具有较大的柔韧
度，可以自身回折形成一个称为 G- 四链 (G-quadruplex) 的特殊结构 。 这个 G- 四链结构的核心是由
4 个鸟嗦呤通过 8 对 Hoogsteen 氢键形成的 G-平面 (tetrad 或 quartet) (图 2-13) 。 若干个 G-平面的
堆积使富含鸟噤呤的重复序列形成了 G- 四链结构 。 人们推测这种 G- 四链结构是用来保护端粒的
完整性 。 近来，人们还发现某些癌基因的启动子和 mRNA 的 3 I -非翻译区都有一些富含鸟嗦呤的
序列 。 这些序列可以通过形成特定的 G- 四链结构对基因转录和蛋白质合成进行适度的调控 。 受
离子类型、离子浓度、鸟噤呤 G 排列顺序的影响，富含鸟嗓呤的序列可以形成具有不同拓扑构象的
G- 四链体 。
二、 DNA 双链经过盘绕折叠形成致密的高级结构
线性的 DNA 双链不是一条刚性分子，具有一定程度的柔韧性。 一 旦发生弯曲， DNA 双链就会在
其内部产生一定的应力 。 DNA 双链需要形成 一种超螺旋结构 (superhelix 或 supercoil) , 释放出这些应
力使 DNA 处在一个低能 量 的稳定状态。当盘绕方向与 DNA 双螺旋方同相同时，其超螺旋结构为正
超螺旋 (positive supercoil) ; 反之则为负超螺旋 (negative supercoil) 。 在生物体内， DNA 的超螺旋结构是
在拓扑异构酶参与下形成的 。 拓扑异构酶可以改变超螺旋结构的数量和类型 。 自然条件下的 DNA 双链
主要是以负超螺旋形式存在的，经过一系列的盘绕 、 折叠和压缩后 ，形成了高度致密的高级结构 。
（一）封闭环状的 DNA 具有超螺旋结构
绝大部分原核生物的 DNA 是环状的双螺旋分子 。 在细胞内经过进一步盘绕后，形成了类核
(nucleoid) 结构 。 类核占据了细胞的大部分空间，并通过与蛋白质的相互作用黏附在细胞内壁 。
在细菌 DNA 中，不同的 DNA 区域可以有不同程度的超螺旋结构，超螺旋结构可以相互独立存在
（图 2-14) 。 分析表明，在大肠杆菌的环状 DNA 中，平均每 200 个碱基就有一个负超螺旋形成 。 负
超螺旋的 DNA 双链只能以封闭环状的形式或者在与蛋白质结合的条件下存在，以避免它们之间的
相互纠缠 。 这种负超螺旋形式产生了 DNA 双链的局部解链效应，有助于诸如复制、转录等生物过
程的进行 。
盘绕生成超螺旋
解螺旋
图 2-14 原核生物的超螺旋结构
自然状态下的环状 DNA 分子表现出松弛的双链结构，在拓扑异构酶作用下形成超螺旋结构 。
两种结构处在动态平衡之中
