应北京大学化学与分子工程学院陈鹏教授的邀请，英国剑桥大学的著名药物化学家、二代DNA测序方法Illumina的共同发明者、2022年生命科学突破奖获得者Shankar Balasubramanian教授，于10月20日在北京大学化学与分子工程学院做了题目为“Structure and function of DNA G-quadruplexes”的兴大报告。![]()
下午2点，兴大报告在化学学院A204报告厅如期举行。化学学院的百余名研究生和教师参加了此次兴大报告讲座。在陈鹏教授简要介绍Balasubramanian教授的简历和研究方向后，精彩的讲座拉开帷幕。在此次报告中，Balasubramanian教授首先从最基本的概念和分子结构出发，为我们展示了G-quadruplexes（G-四链体）的结构特点和序列特征。随后，Balasubramanian教授讲解了他们开发的一系列用于G-四链体成像、测序的检测方法和技术，最后详细介绍了他们如何运用这些技术揭示DNA中G-四链体在人类细胞中的形成证据及其在生物系统中的功能。G-四链体是一种富含鸟嘌呤的核酸序列，在一些特定阳离子（例如Li+、Na+和K+）的稳定下，通过Hoogsteen氢键作用连接形成多个G-四分体后，进一步通过π-π堆积形成的独特二级结构。对此，Balasubramanian教授首先探究了G-四链体是否会在基因组中形成。借助计算预测的方法，他们首先分析出人类基因组中假定的G-四链体序列G3-6N1-7G3-6N1-7G3-6N1-7G3-6，提出这些基序可能会形成分子内G-四链体，随后他们发现相对于基因组的其他部分，上述G-四链体基序在基因的启动子区域显著富集（Nucleic Acids Res., 2007, 35, 406.），该工作暗示了G-四链体可能直接参与转录水平的基因表达调控。为了验证计算预测所推出的假设以及更深入地探究G-四链体的生理功能，Balasubramanian教授开发了一系列的实验方法和技术，开创性地实现了对G-四链体的表征和检测。首先，他们开发了人类细胞内G-四链体的成像工具，利用噬菌体展示技术，他们筛选出了可以特异性结合G-四链体的抗体BG4，通过免疫荧光成像实现了对人类细胞基因组G-四链体结构的可视化（Nat. Chem., 2013, 5, 182.）。随后，通过将聚合酶终止测定与二代测序方法Illumina结合，他们发明了人类基因组中G-四链体结构的高通量测序方法G4-seq，在人类基因组体外水平检测到更广泛的、计算方法无法预测的G-四链体位点（Nat. Biotechnol., 2015, 33, 877.）。进一步，Balasubramanian教授研发了基于抗体的G-四链体染色质免疫沉淀和高通量测序方法G4-ChIP-seq，成功对更真实的内源染色质背景下的G-四链体结构进行了表征。借此技术他们发现G-四链体主要存在于调节性核小体耗竭区域，其动态形成高度依赖于染色质松弛状态，并且启动子中G-四链体的形成与转录活性升高具有相关性（Nat. Genet., 2016, 48, 1267.）。此外，他们还开发了小分子定向的转座酶Tn5标记技术Chem-map，确证了小分子配体PDS和PhenDC3对G-四链体及其结构亚型具有良好的结合特异性，并成功对动态的内源性G-四链体-小分子相互作用图谱进行了原位表征（Nat. Biotechnol., 2023, 41, 1265.）。上述工具的成熟研发与应用，为揭示G-四链体的生理意义提供了强大的技术支持。![]()
运用上述技术，Balasubramanian教授团队逐步揭开了DNA中G-四链体生理功能的神秘面纱。首先，Balasubramanian教授发现基因组G-四链体结构的动态变化与细胞分化和命运密切相关，利用G4-ChIP-seq检测人胚胎干细胞（hESC）在不同分化时期中的G-四链体丰度，他们发现G-四链体结构在hESC中含量很高，在分化过程中却逐渐丢失，伴随着相关基因的沉默，这一过程与组蛋白修饰、染色质可及性的变化密切相关；使用小分子PhenDC3处理细胞，可以结合并稳定启动子G-四链体结构，导致hESC延迟分化，验证了G-四链体有助于维持hESC的多能状态（Nat. Commun., 2022, 13, 142.）。为了进一步研究基因组G-四链体结构调控转录的具体分子机制，Balasubramanian教授报道了一种共价结合介导的蛋白质分析策略，利用功能化的配体探针结合内源性G-四链体，通过光交联捕获G-四链体邻近的结合蛋白，并利用点击反应进行下拉分析，有效地鉴定数百种潜在的G-四链体相互作用蛋白，其中包括染色质重塑相关蛋白SMARCA4（Nat. Chem., 2021, 13, 626.），暗示G-四链体对于染色质重塑蛋白的招募功能。另外，他们还通过将G-四链体的全基因组图谱与来自ENCODE的各种染色质相关蛋白的结合位点信息进行对比，发现许多转录因子（TF）在内源性G-四链体位点高度富集，随即通过相互作用测定实验，验证了许多TF可以直接结合DNA G-四链体，由此提出启动子G-四链体可以通过招募大量TF促进基因的转录（Genome Biol., 2021, 22, 117.）。最后，Balasubramanian教授以癌基因MYC为例，详细地展示了G-四链体结构影响癌基因的表达具体机制。通过CRISPR技术对MYC基因启动子中的G-四链体基序进行基因突变，从而破坏启动子G-四链体结构的形成，他们发现相较于野生型，突变体的MYC基因表达受到了显著抑制，其中G-四链体缺失的突变体MYC基因启动子区域对一些促进转录的相关蛋白的募集显著减少，包括CNBP、SP1等转录因子、促进染色质开放的组蛋白甲基转移酶MLL1以及染色质重塑相关蛋白SMARCA4等。至此，Balasubramanian教授对本次兴大报告进行了总结：DNA中的G-四链体可以通过招募转录因子、组蛋白修饰蛋白和染色质重塑蛋白，实现对基因转录过程的调控，影响细胞的分化和命运。Balasubramanian教授由浅入深的讲解使大家对DNA中的G-四链体有了更加系统的认识。精彩的报告结束后，高毅勤教授主持了问答环节，Balasubramanian教授和与会者进行了热烈的讨论。此次报告受到老师和同学们的高度好评。最后，高毅勤教授向Balasubramanian教授赠送了“兴大报告”奖章，并合影留念。
Shankar Balasubramanian教授简介
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Shankar Balasubramanian爵士是英国剑桥大学化学系Herchel Smith药物化学教授，也是英国癌症研究协会所属剑桥研究所的高级小组负责人。他的研究方向主要集中于核酸的化学、结构和功能研究。他也是二代DNA测序方法Illumina的共同发明者，该方法使人类基因组测序变得更加常规、准确且便宜，对生物学产生了革命性的影响。他开发了化学方法用于解码基因组中的DNA碱基修饰（表观遗传学）和DNA二级结构（G-四链体），并对其动力学和功能的理解做出了开创性的贡献。他在核酸小分子识别方面的工作为癌症生物学提供了分子机制方面的支持。他的研究为基础化学及其在生物和医学科学中的应用做出了重要贡献。2017年，Shankar Balasubramanian教授因在科学和医学方面的贡献被授予女王新年荣誉奖，并于2018年被授予皇家学会皇家奖章。2021年，他与David Klenerman共同荣获2020年的千禧年科技奖。2022年，他与David Klenerman、Pascal Mayer共同荣获2022年生命科学突破奖，以表彰他们在测序技术研究方面的贡献。2023年，他被评选为美国国家科学院国际院士。
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