启动子是基因表达调控的门户，决定了转录的起始位置和效率。长期以来，人们对启动子的认识主要集中在其线性DNA序列上，即特定的基序（如TATA盒、CpG岛）和转录因子结合位点。然而，DNA并非总是以规则的右手双螺旋形式存在；它也可以折叠成各种替代性结构。

2025年8月1日，《自然-遗传学》发表了一项研究简报，介绍Esnault, C.团队的突破性工作。该研究表明，一种称为G-四链体的非B型DNA结构，是哺乳动物启动子的一个核心功能性元件。G-四链体通过促进核小体排除和调控RNA聚合酶II的暂停释放，在决定启动子活性和基因表达中发挥关键作用。这项发现将启动子的“身份”从一维序列扩展到了三维结构层面。

核心发现：G-四链体作为启动子元件

该研究的核心在于重新定义了“启动子”的概念，证明了DNA结构本身是基因调控的一个活跃参与者。

1. G-四链体在启动子中特异性富集：通过一种名为G4access的新技术，研究者以单碱基分辨率绘制了全基因组的G-四链体图谱。发现G-四链体结构并非随机分布，而是高度富集在活跃基因的启动子区域，尤其是那些具有CpG岛的启动子。特定启动子的“身份”或活性状态，与其形成G-四链体的能力密切相关。

2. G-四链体促进核小体排除：核小体的存在通常会阻碍转录因子结合和转录起始复合物组装。研究发现，G-四链体结构在体外和体内均能阻碍核小体的形成，在启动子区创造一个“无核小体”的开放窗口。这种开放的染色质状态是转录激活的先决条件。

3. G-四链体调控RNA聚合酶II的暂停释放：转录起始后，RNA聚合酶II通常在启动子近端区域（约20-60 bp处）发生暂停，等待进一步的激活信号才能进入高效延伸。研究发现，位于转录起始位点下游的G-四链体结构，是调控暂停释放的关键元件。它们能与转录暂停释放因子（如PAF1复合物、TFIIS等）相互作用，促进聚合酶II从暂停状态进入生产性延伸。因此，G-四链体不仅帮助开启转录，还确保了转录的有效进行。

4. 结构元件的可塑性：重要的是，G-四链体形成的能力由DNA序列的固有属性决定，但同时也受到细胞环境（如转录活性、解旋酶活性）的动态调节。这提供了将外部信号与特定基因的转录输出直接偶联的机制。

机制模型与生物学意义

该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：启动子区的G-四链体结构通过排除核小体，维持启动子的可及性，便于转录因子和RNA聚合酶II的结合。

• 第二步：转录起始与暂停：RNA聚合酶II在转录起始位点启动转录，但在下游20-60个核苷酸处发生暂停。

• 第三步：暂停释放：位于暂停位点附近的G-四链体结构，作为分子开关，招募或激活暂停释放因子，触发RNA聚合酶II进入基因体进行高效延伸。

这一机制的生物学意义在于：

• 扩大基因调控的“编码能力”：除了经典的序列编码（如转录因子结合基序）外，DNA的结构编码（形成特定非B型DNA结构的能力）提供了一个全新的调控维度。

• 与启动子类型相关联：CpG岛启动子（占哺乳动物启动子的大多数）富含G-四链体，而TATA盒启动子则较少。这提示不同类型的启动子可能利用不同的机制来实现高效转录。

• 疾病关联：G-四链体的动态平衡由多种解旋酶（如DHX36, FANCJ, DDX11等）维持。这些解旋酶的突变与多种疾病（包括遗传性癌症综合征、神经发育障碍等）相关。本研究提示，这些疾病的发病机制可能部分源于G-四链体结构失调所导致的转录程序紊乱。

未来展望

该研究开辟了多个令人兴奋的研究方向：

• 结构解析：G-四链体如何与转录暂停释放因子在分子水平上互作？是否存在特异性的G-四链体结合蛋白来介导其功能？

• 动态调控：G-四链体的形成和解除在细胞周期、发育和应答外界刺激时如何被动态调控？

• 疾病模型：在G-四链体解旋酶突变的疾病模型中，验证启动子G-四链体积累对转录的影响，并探索是否可以通过小分子药物（如G-四链体稳定剂或解旋酶激活剂）来逆转病理表型。

• 合成生物学应用：利用对G-四链体调控机制的理解，设计可被小分子或光遗传学工具调控的合成启动子，用于基因治疗和精准的基因表达控制。

参考文献

1. 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

2. Esnault, C. et al. (2023). G4access identifies G-quadruplexes and their associations with open chromatin and imprinting control regions. Nat. Genet.

3. Hänsel-Hertsch, R. et al. (2016). G-quadruplex structures mark human regulatory chromatin. Nat. Genet.

4. Huppert, J. L. et al. (2008). G-quadruplexes: the beginning and end of UTRs. Nucleic Acids Res.