启动子作为基因表达调控的关键门户，决定了转录的起始位置与效率。传统观点主要关注启动子的线性DNA序列特征，如TATA盒和CpG岛，以及转录因子结合位点。然而，DNA不仅以经典的右手双螺旋形式存在，还能形成多种非经典的三维结构。
2025年8月1日，《自然-遗传学》刊登了Esnault等团队的最新研究，首次系统揭示了G-四链体（G-quadruplex）作为哺乳动物启动子中的核心功能元件，如何通过促进核小体排除和调控RNA聚合酶II（Pol II）暂停释放，决定启动子的活性和基因表达水平。这一发现将启动子身份的定义从一维序列扩展至三维结构层面，极大丰富了基因调控的分子机制。
核心发现：G-四链体作为启动子功能元件
该研究重新定义了启动子的概念，强调DNA三维结构在基因调控中的主动作用：
- G-四链体在启动子区域高度富集：利用创新的G4access技术，研究者以单碱基分辨率绘制了全基因组G-四链体图谱，发现其显著富集于活跃基因的启动子区域，尤其是含CpG岛的启动子。这表明启动子的活性状态与其形成G-四链体的能力密切相关。
- G-四链体促进核小体排除：核小体的存在通常阻碍转录因子结合和转录起始复合物组装。研究显示，G-四链体结构能有效阻止核小体在启动子区的形成，创造出开放的染色质环境，为转录激活提供必要条件。
- G-四链体调控RNA聚合酶II的暂停释放：在转录起始后，Pol II通常在启动子下游20-60碱基处暂停，等待激活信号。G-四链体位于该区域，作为关键调控元件，通过与转录暂停释放因子（如PAF1复合物、TFIIS）相互作用，促进Pol II从暂停状态进入高效延伸阶段，确保转录的顺利进行。
- 结构元件的动态可塑性：G-四链体的形成受DNA序列固有属性及细胞环境（如转录活性、解旋酶功能）的调控，实现外界信号与基因转录输出的直接耦合。
机制模型与生物学意义
研究提出了一个整合的启动子功能模型：
- 第一步：染色质开放——启动子区G-四链体通过排除核小体，维持染色质开放，促进转录因子和Pol II结合。
- 第二步：转录起始与暂停——Pol II启动转录后，在启动子下游发生暂停。
- 第三步：暂停释放——G-四链体作为分子开关，招募或激活暂停释放因子，触发Pol II进入基因体进行高效延伸。
这一机制的生物学意义体现在：
- 扩展基因调控编码能力：除了传统的序列编码，DNA结构编码（非B型DNA结构形成能力）提供了新的调控维度。
- 启动子类型相关性：CpG岛启动子富含G-四链体，而TATA盒启动子较少，提示不同启动子类型可能依赖不同的调控机制。
- 疾病关联：多种解旋酶（如DHX36、FANCJ、DDX11）维持G-四链体的动态平衡，其突变与遗传性癌症综合征、神经发育障碍等疾病相关，提示G-四链体失调可能导致转录紊乱和疾病发生。
未来展望
该研究为多个前沿方向奠定基础：
- 结构解析：深入解析G-四链体与转录暂停释放因子的分子互作，探究特异性G-四链体结合蛋白的功能。
- 动态调控：研究G-四链体形成与解除在细胞周期、发育及环境应答中的调节机制。
- 疾病模型：利用G-四链体解旋酶突变模型验证启动子G-四链体积累对转录的影响，探索小分子药物干预的潜力。
- 合成生物学应用：基于G-四链体调控机制设计可控合成启动子，实现精准基因表达调控和基因治疗。
参考文献
- Esnault, C. et al. (2025). G-quadruplexes are promoter elements controlling nucleosome exclusion and RNA polymerase II pausing. Nature Genetics. https://doi.org/10.1038/s41588-025-02263-6
- Esnault, C. et al. (2023). G4access identifies G-quadruplexes and their associations with open chromatin and imprinting control regions. Nat. Genet.
- Hänsel-Hertsch, R. et al. (2016). G-quadruplex structures mark human regulatory chromatin. Nat. Genet.
- Huppert, J. L. et al. (2008). G-quadruplexes: the beginning and end of UTRs. Nucleic Acids Res.