生科院冯启理教授研究团队在DNA高级结构研究中取得重要进展

6月5日，国际重要学术刊物Nucleic Acids Research（核酸研究）在线发表了我校生命科学学院昆虫科学与技术研究所冯启理教授研究团队的研究成果： “Identification of LARK as a novel and conserved G-quadruplex binding protein in invertebrates and vertebrates” （在无脊椎和脊椎动物中新型保守的G-四链体结合蛋白LARK的鉴定）。

1953年DNA双螺旋结构的发现标志着现代分子生物学新纪元的开始。生物细胞内DNA通常以A-T和G-C碱基配对的线性双螺旋形式而存在并发挥功能。近年来越来越多研究发现, DNA单链或双链上多个鸟嘌呤（Guanine）的连续重复出现，可形成G-四链体（G4）高级结构；多个胞嘧啶（Cytosine）的连续重复出现，可形成i-motif高级结构，这些“非正常”碱基配对所形成的“非双螺旋”二级结构可能参与了基因转录、端粒寿命、DNA复制及蛋白翻译等重要细胞功能的调控。

冯启理教授研究团队在前期研究家蚕转录因子BmPOUM2基因启动子结构和功能时，发现该基因启动子存在G4和i-motif高级结构。该团队通过分子生物学、细胞生物学、发育生物学和基因组学等方法，研究了BmPOUM2基因启动子高级结构的特征、结合蛋白及其生物学功能，初步阐释了该结构对基因表达调控的分子机制，分析了家蚕全基因组中G4和i-motif发生的频率、分布和结构特征。研究发现，BmPOUM2基因启动子的正负链上分别存在G4和i-motif高级结构，这些高级结构参与了对BmPOUM2基因表达的调控。同时发现核转录因子BmILF可与i-motif结构结合并影响该基因的转录，相关成果于2018年2月发表在Nucleic Acids Research上。

在此研究基础上，该研究组进一步鉴定到一个新的G4结合蛋白LARK，通过一系列生物化学、分子生物学和细胞生物学方法证明，该核转录因子LARK蛋白特异地与G4结构结合，而且从低等无脊椎生物到高等脊椎动物中该蛋白在结构和结合活性上高度保守。家蚕的LARK蛋白可以识别其它生物基因的G4结构；其它生物的LARK蛋白可以识别家蚕基因的G4结构。LARK转录因子结合G4结构后可激活家蚕BmPOUM2等多个靶标基因和果蝇及人多个基因的转录。该研究巧妙地利用该特异G4结合蛋白的抗体，通过免疫荧光染色的方法，首次在家蚕细胞体内和染色体中观察到G4结构的存在，从而不仅在体外而且在体内证明了DNA分子中G4高级结构的存在。

根据这些研究，课题组提出了G4和i-motif等DNA高级结构对基因转录的调控是一种新的表观调控机制的观点。该研究的具有重要科学和应用意义在于：1）基因（或蛋白）表达调控机制通常涉及或依赖于基因DNA或转录产物mRNA的一级结构序列及表观遗传调控，包括DNA甲基化、mRNA剪切、核糖体组装等过程。本研究提出基因转录调控不仅仅由其DNA序列一级结构所决定，二级结构也参与了对基因转录表达的调控； 2）这些参与基因转录调控的高级结构可作为调控生物生长发育的新靶标位点，用于药物研发。

据了解，Nucleic Acids Research由英国Oxford University Press出版，是发表核酸物理、化学、生物化学和生物学等领域国际最前沿科学研究成果的重要专业学术刊物。华南师范大学为该论文第一单位，生科院博士生牛康康为该论文第一作者（牛康康因在该项目的创新性研究入选2019年度国家“博士后创新人才支持计划”项目），冯启理教授和美国密苏里大学宋齐生教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委重点项目和重点国际合作项目的资助。