基于ssG4-seq技术的哺乳动物基因组链特异性G-四链体全局图谱构建及其转录调控机制研究

《Nature Communications》：ssG4-seq for global profiling of strand-specific G-quadruplex structures in mammalian genomes

　　本研究针对哺乳动物基因组中链特异性G-四链体（G4）空间分布及转录调控机制不明确的难题，开发了ssG4-seq技术并绘制多物种G4全局图谱。研究发现超过95%的G4定位于增强子和启动子区域，双链G4结构可显著增强转录激活，并揭示转录因子SP1通过调控染色质环化介导G4功能的分子机制。该工作为理解G4在基因调控及肿瘤发生中的作用提供了重要理论依据。

　　

在哺乳动物基因组中，富含鸟嘌呤的DNA序列能够形成一种非经典的四链结构——G-四链体（G-quadruplex, G4）。这类结构在端粒维持、基因转录调控以及表观遗传修饰中扮演着重要角色。然而，由于技术限制，长期以来研究人员难以在全基因组范围内精确绘制G4结构的分布图谱，尤其无法区分两条DNA链上G4形成的链特异性信息。这种信息的缺失导致我们对G4在染色质空间组织、增强子-启动子互作等关键生物学过程中的作用机制知之甚少。此外，尽管一些研究表明G4结构与肿瘤发生发展密切相关，但具体的致病机制仍不明确。为了解决这些难题，研究人员开发了一种名为链特异性G4测序（strand-specific G4 sequencing, ssG4-seq）的新方法，旨在系统性解析哺乳动物基因组中G4结构的链特异性分布规律及其生物学功能。

本研究主要运用了以下关键技术：ssG4-seq用于全基因组范围链特异性G4结构的捕获与测序；染色质免疫共沉淀（ChIP-seq）分析转录因子SP1与G4的结合；染色质构象捕获（Hi-C）技术用于研究G4介导的染色质环化作用；人源K562细胞系及小鼠胚胎干细胞等模型用于跨物种验证。

ssG4-seq技术可靠地检测到基因组中的G4结构

通过ssG4-seq技术，研究人员在人类K562细胞中不仅成功验证了已知的G4结构，还新发现了数千个此前未被注释的G4位点。该技术显示出高度的灵敏性和特异性，为后续分析提供了可靠的数据基础。

G4在增强子和启动子区域高度富集且具有链特异性

跨物种比较分析显示，超过95%的G4结构位于基因的启动子和增强子区域。特别值得注意的是，在启动子区域同时存在双链G4（即两条DNA链均能形成G4）的基因，其转录活性显著高于仅存在单链G4的基因，提示链特异性G4在转录激活中具有重要调控作用。

SP1识别G4并调控增强子-启动子染色质环化

机制上，研究人员发现转录因子SP1能够特异性结合G4结构，作为G4的“阅读器”（reader）发挥作用。进一步通过功能实验证实，SP1通过促进增强子与启动子之间的染色质环化（chromatin looping），从而激活下游基因的转录。

癌症相关突变通过破坏G4结构影响染色质互作

分析临床样本数据发现，部分肿瘤患者中存在的基因突变可导致G4结构稳定性降低，进而破坏SP1介导的染色质环化，影响重要基因的正常表达，这为理解G4在肿瘤发生中的作用提供了直接的分子证据。

本研究通过开发ssG4-seq这一创新工具，首次在哺乳动物基因组中实现了链特异性G4结构的全局性解析。结果表明G4结构在基因调控区广泛存在，其链特异性分布模式与转录激活强度密切相关。SP1被鉴定为关键的G4阅读器，通过调控染色质空间结构介导转录激活。此外，研究揭示了G4稳定性破坏在肿瘤发生中的新机制。该成果不仅深化了对非经典DNA结构功能的理解，也为相关疾病的靶向治疗提供了潜在的新策略。论文发表于《Nature Communications》。