核酸结构
在前面的学习中我们了解了从基因到蛋白质的基本流程，现在我们需要更加深入地认识支撑这些生命现象的物质——核酸的精细结构。核酸（包括DNA和RNA）不仅仅是遗传信息的载体，更因其高度有序和变化多样的三维结构，决定了生物分子的功能与调控。每一个碱基的排列和微小的空间构象变化都会在生命活动中产生深远影响。
从最早中国科学家参与的DNA双螺旋结构研究，到近些年高通量测序和结构生物学在我国的迅速发展，核酸结构的深入解析成为我国分子生物学和医学创新的重要推动力。例如，华大基因、中科院等机构推动了来自中国人群的基因组结构研究，为疾病预防和精准医疗打下了坚实的基础。值得注意的是，很多遗传性疾病的发病机制正是由于核酸结构的微观变化导致功能失常，因此对于核酸结构的解析不仅仅停留在理论研究，更直接服务于临床医学和生物技术创新。
核酸结构的研究不仅具有重要的理论意义，在疾病诊断、药物设计和基因治疗等领域也有着广泛的应用前景，这正是当前我国生物医学快速发展的重要基础。随着核酸药物、生物检测和合成生物学等新兴产业的兴起，对核酸结构功能关系的深入理解将持续引领中国生命科学走向世界前沿。
DNA的多重构象
DNA双螺旋的不同形式
DNA分子具有高度的结构多样性，并非只有一种单一的螺旋形式。实际上，根据周围环境的湿度、离子浓度以及碱基序列本身的差异，DNA可呈现出多种空间构象。其中最经典、最为稳定和常见的，是自然条件下的B型DNA，这也是Watson和Crick首次明确描述的标准右手螺旋结构。但是，在某些特殊环境下，例如低湿度时、或是在某些带有特定核苷酸序列区域，DNA可以被诱导或者自发地转变为A型或Z型等不同的构象。
A型DNA是一种右手螺旋，碱基对每圈略多且螺距较短，多见于脱水环境或DNA与RNA杂交区域。Z型DNA则是一种极为特别的左手螺旋构象，特征是主链呈锯齿状，通常在富含GC序列的区域形成。该结构在基因转录调控、基因表达调节以及特定蛋白质结合过程中具有不可忽视的生物学意义。
通过分析中国人群的基因组数据，研究人员发现三种主要DNA构型在不同功能区域均有分布。例如，B型DNA稳定地存在于大多数编码区和调控元件中，而Z型DNA则经常出现在启动子、调控增强子等富集GC区域，对基因表达的启动、抑制以及染色质结构的调控起到关键作用。有趣的是，某些疾病相关突变会影响这些区域的GC含量，从而改变局部DNA结构，进而影响基因的正常表达。这也解释了核酸三维结构与疾病的密切关联，使我们不仅仅关注序列，更要重视结构本身的功能。
在实际生物学研究和医学应用中，利用分子动力学模拟、冷冻电镜（Cryo-EM）、X射线晶体学等技术，科学家能够具体观测到不同DNA构象的精细参数，为靶向药物设计和基因编辑工具的优化提供数据依据。例如，在中国华大基因的一项研究中，就通过对肿瘤相关区域DNA构象变化的分析，提出了新的肿瘤诊断生物标志物。
构象转换的分子机制
DNA构象的转换受到多种分子和环境因素的共同调控。在生理条件下，B型DNA因结构稳定性及其适宜的能量状态成为细胞内的主流形态。但在高盐、脱水、外源药物作用（如某些抗癌药物）、或者与某些蛋白质（如转录因子、组蛋白）结合时，DNA的主链会出现空间旋转、糖环构象变化和螺旋扭曲，从而驱动其向A型或Z型转变。
DNA构象的转变伴随能量状态的变化，甚至可能作为细胞对环境快速反应的一种机制。例如，强烈的细胞应激反应、炎症反应等都可能引发局部结构的适应性调整，以便更好地适应信号转导和遗传信息表达的变化。
DNA构象的改变往往伴随着生物学功能的变化，这是细胞调控基因表达的重要机制之一。例如，Z型DNA的形成常与基因启动或沉默密切相关。只有理解这种序列-结构-功能的三重联系，才能更科学地阐释基因调控的分子基础。
DNA的超螺旋结构
超螺旋的数学描述
DNA的超螺旋是指DNA双螺旋轴本身再次扭曲形成的三级结构，这种结构让DNA分子在狭小的细胞空间内能够高效、有序地打包。例如，在原核生物如细菌中，几百万碱基对长度的DNA能被高度压缩后容纳在细胞质内，而在真核生物中，超螺旋还与核小体组装和染色质的更高级结构紧密相关。
超螺旋通常通过拓扑学参数来精确描述，包括连接数（Lk）、扭曲数（Tw）和缠绕数（Wr）三大要素：
连接数（Lk）= 扭曲数（Tw）+ 缠绕数（Wr）
- 连接数（Lk）：表示一条链缠绕另一条链的次数，对于闭环DNA来说是一个不变的拓扑参数，只有通过DNA链断裂才能改变。
- 扭曲数（Tw）：反映双螺旋每一圈的螺旋度，为双链互相环绕的次数。
- 缠绕数（Wr）：描述双螺旋轴自身盘绕、扭曲的程度，即是否出现“超螺旋”。
在细胞内，大多数DNA都呈现负超螺旋状态，即本身的螺旋数小于理想状态，这使双链局部更易分开，有助于复制、转录和DNA修复等分子生物学过程。例如，一个典型的细菌环状DNA分子的超螺旋密度约为-0.06，意味着每大约17个碱基对就“缺失”一个完整的螺旋圈，从而造成整个分子的应力再分布。正是这种应力让DNA既稳定又富于动态变化，为细胞活动提供分子基础。
为了调节和维持必需的超螺旋状态，细胞内存在专门调控DNA拓扑的酶类，如拓扑异构酶（Topoisomerase）和解旋酶（Helicase）。拓扑异构酶可以断开DNA的一条或两条链，改变其缠绕方式，进而调整超螺旋程度，其药理学应用尤为重要，是抗菌和抗癌药物设计的靶点之一。
超螺旋的生物学功能
DNA的超螺旋不仅仅是物理盘绕的表现，更是细胞基因活动调控的核心机制之一。超螺旋通过影响DNA链局部的松紧程度，调节转录、复制的起始，促进或抑制相关蛋白的结合。例如：
- 促进局部解链：负超螺旋有利于DNA局部解链，便于RNA聚合酶和复制酶识别特定位点启动转录或复制。
- 调节基因表达：超螺旋密度的改变可造成转录起始子区域结构变化，影响转录因子的结合亲和力，从而直接调节下游基因的表达。
- 拓扑压力传递：当RNA聚合酶沿着模板运动时，其前方DNA因旋转而形成正超螺旋，后方形成负超螺旋，这种“拓扑波”在基因组范围内传播，被认为与染色质高阶三维结构重塑密切相关。
- DNA修复与重组：特定的超螺旋状态为DNA损伤修复蛋白、重组酶等关键蛋白的识别和作用提供了有利的空间和构象基础。
中国科学家在DNA超螺旋领域同样做出了诸多贡献。例如，上海交通大学的团队通过单分子磁镊技术，揭示了不同类型拓扑异构酶作用于DNA超螺旋松解过程中的动力学细节。在农业分子育种领域，也有学者利用现代生物物理手段，发现水稻、玉米等农作物在遭遇干旱胁迫时，会通过蛋白复合物调节染色质DNA的超螺旋密度，以应对环境变化，提高抗逆能力。这些发现为利用DNA超螺旋的调控优势进行作物遗传优化和基因工程干预提供了理论基础。
此外，越来越多的临床研究显示，人类基因组某些区域的超螺旋密度异常与癌症、遗传性疾病密切相关。这推动了以超螺旋为靶点的分子药物和基因治疗策略的持续探索。
RNA的结构特征
RNA与DNA的结构差异
RNA与DNA在分子结构和功能上均存在显著不同，这种差异决定了它们在生物体内的角色分工。
- 糖基类型不同： RNA含有核糖（ribose），而DNA含有脱氧核糖（deoxyribose）。核糖分子上的2'-羟基（–OH）使得RNA主链更加柔韧，也更容易发生化学降解，带来更高的折叠灵活性和分子多样性。在细胞质和细胞核的复杂反应环境中，这一结构特征赋予了RNA更强的功能适应能力。
- 碱基组成差异： RNA碱基为A、U、G、C，其中的尿嘧啶（U）取代了DNA中的胸腺嘧啶（T）。U-A碱基对的结合能略弱于T-A，有助于调节RNA分子的结构动态平衡。越来越多的研究发现，U的分布、修饰及参与结构的方式在调控基因表达、剪接和RNA修饰中起到关键作用。
- 链结构与空间形式： DNA大多以双螺旋结构存在，是稳定的遗传信息载体。RNA则通常为单链，但可通过局部碱基配对折叠为复杂的二级、三级甚至四级结构，如发夹茎环、假结、四链体等。这些空间结构为其执行催化、调控、信号感知等多样功能提供了基础。
- 稳定性不同： DNA结构稳定、半衰期长，适合长期信息储存；RNA由于2'-OH和单链结构易水解降解，稳定性相对较低，因此需要更精密的调控机制参与其生成、加工、降解过程。例如，许多病毒的遗传物质为RNA，其高变异性和不稳定性也是快速适应的新环境的基础。
- 功能多样性： RNA除了作为信使（mRNA）中介遗传信息，更能作为核酶（ribozyme）直接发挥催化功能，还能以miRNA、siRNA等形式参与调控和防御，是“中心法则”领域的重要突破点之一。
近年来，随着RNA测序和结构测定手段的进步，人们已对多种类型RNA分子的空间结构有了更加直观和动态的认知。例如，长非编码RNA（lncRNA）、环形RNA（circRNA）等新发现的RNA类型不断丰富我们对遗传调控的理解。与此同时，中国在RNA结构研究领域也持续取得突破，不仅揭示了各类RNA的功能机制，还推动了基因治疗、疫苗研发等前沿技术的创新发展。
RNA的非标准碱基配对
RNA分子内部不仅限于经典的Watson-Crick配对（A-U, G-C），还可形成多种非标准配对。例如：
- 摇摆配对（Wobble pairing）： 最典型为G-U配对，这种配对在tRNA反密码子识别mRNA密码子时尤为重要，是遗传密码表灵活性的生化基础。
- Hoogsteen配对和反Hoogsteen配对： 这类配对允许三条核酸链的结合，是RNA三级结构和四级结构（如G四链体、假结）的重要组成部分。
- 其他辅助配对： 如A+-C、G-A等在特定pH或金属离子条件下也能暂时存在，增加了RNA折叠的可能性和功能复杂度。
正是这些非标准配对，为RNA分子的三维空间构象、多样的生物学功能与独特的分子识别机制提供了物理基础。例如，核糖体中的rRNA、剪接体中snRNA活性核心区域都因丰富的非标准互作而具备专一性生物功能。
中国科学家在tRNA结构研究中做出了重要贡献，特别是在理解非标准碱基配对对tRNA功能的影响方面取得了突破性进展。例如，南京大学和中国科学院的团队通过高分辨率结构生物学手段，揭示了tRNA反密码子环的非Watson-Crick配对模式，以及这些结构变化如何影响蛋白质合成的精确性。这为推动我国在转译调控和合成生物学领域的原创性研究提供了宝贵的理论和技术基础。
RNA的二级结构元件
发夹结构和茎环
RNA二级结构的基本元件包括发夹结构、内部环、凸出环和多分支环。这些结构元件构成了RNA空间折叠的骨架，对RNA的功能和稳定性起着决定性作用。结构元件间的协同作用，使得RNA能够通过极其丰富的空间构象完成诸如催化、调控、识别等多样生物学功能。现代生物物理和生物信息学方法，如核磁共振（NMR）、X射线晶体学和高通量测序等，正被广泛应用于RNA二级结构的精准解析与动力学建模，从而推动了RNA结构-功能关系的深入研究。
发夹结构是RNA二级结构中最常见和最基础的元件之一，由一个双链茎部和一个单链环部组成。茎部由多个碱基间Watson-Crick配对稳定，决定了结构的刚性和整体稳定性，而环部的长度、序列组成及其局部修饰会显著影响发夹的柔性和折叠倾向。实验和理论结果表明，环部长度在4~8个核苷酸时最为常见，过短则限制折叠，过长则降低稳定性。天然分子中典型的发夹结构，如tRNA的TΨC臂、细胞信号相关的茎环motif等，均展现出特异的生物功能。值得一提的是，不同发夹结构的热力学性质（如自由能ΔG）直接影响其在生理条件下的形成概率，这些热力学参数的精确测定和数据库积累极大促进了高效的RNA结构预测软件（如RNAfold）的建立和优化。
发夹结构不仅具有结构稳定作用，还广泛参与了RNA的分子识别、酶切调控、病毒复制、翻译调控等关键过程。在细菌调控元件riboswitch、真核mRNA 5'UTR和3'UTR、病毒基因组RNA中都有多种发夹结构作为识别和调节的“开关”存在。现代CRISPR技术在gRNA设计时亦充分考虑了茎环元件的影响，以优化基因编辑的精确性与活性。
此外，RNA二级结构的多样性还体现在其他环型结构元件的巧妙安排。例如，内部环常出现在两段发夹茎链之间，影响整体空间走向和配体结合能力；凸出环赋予局部极高的柔性，是许多配体、金属离子的结合位点；多分支环则作为大型RNA如核糖体rRNA、剪接体snRNA中重要的结构支架，调控三级结构组装与催化口袋形成。这些多样元件的组合为RNA结构与功能的进化提供了无限可能，也为人工RNA设计注入了灵感来源。
四级结构和假结
随着RNA结构层次的加深，RNA分子还能组装形成四级结构，如G-四链体、假结结构及复杂的RNA-蛋白超分子复合体。G-四链体常由含有富G序列的单链片段通过胡斯廷型氢键叠加而成，其稳定性对K+等金属离子的依赖性很强，被认为参与端粒维护、基因表达、病毒感染等多种生物过程。假结构则常出现在病毒RNA、核糖开关元件等区域，由两个或多个茎环相互穿插结合，形成“结”状三维折叠，其高级稳定性和独特空间构象在调控mRNA翻译起始、剪接、基因表达等方面不可或缺。假结也是许多有催化功能的核酶核心部分，其动力学行为和组装路径是当代结构生物学和分子动力学研究的热点。
近年来，新一代测序、单分子荧光、冷冻电镜等前沿技术的应用极大拓展了对RNA高级结构的研究范围，人们不断发现新的四级结构及其生理功能。例如，环状RNA、病毒RNA的高阶折叠与宿主识别、免疫调控密切相关。中国科研团队在RNA假结构解析、病毒RNA三维建模等方面取得了一系列创新性进展，为遗传性疾病和感染性疾病的诊断与治疗提供了全新思路和分子靶点。
金属离子的结构作用
金属离子与核酸结合
金属离子，尤其是二价阳离子，在核酸的结构组装与稳定方面不可替代。其中，镁离子（Mg²⁺）几乎参与所有RNA分子的天然折叠与催化活性过程。它通过与磷酸骨架和特定碱基的配位作用，屏蔽RNA主链的负电荷，促进复杂结构的收折、稳定发夹和假结构等关键空间构象。除Mg²⁺外，Ca²⁺、K⁺、Na⁺、Zn²⁺等离子分别以不同方式参与RNA折叠与功能调控。例如，Zn²⁺能够直接配位于G四链体或核糖体活性位点，调节分子识别和催化选择性。K⁺则在调节细胞内离子环境和支持特殊空间结构形成中扮演辅助角色。
近年来，针对金属离子与核酸相互作用的研究不断深入，许多结构生物学成果揭示了镁离子在核酸三维结构和核酶催化中心中的定位与作用机制。尤其在人工核酸分子设计、RNA药物研发等领域，精准调控与优化金属离子的结合已成为改善分子折叠效率、提升催化活性的有效手段。中国研究团队也在RNA金属结合机制、金属辅助核酶构建等领域取得了丰硕成果。
离子氛效应
除了特定金属离子的结合，RNA分子表面及其周围往往聚集着各种阳离子（水合K⁺、Na⁺、Mg²⁺等），形成所谓的“离子氛”。离子氛不仅为主链提供电荷中和作用，减弱核酸间的静电排斥，还能够动态调节核酸在不同环境下的构象、熔解温度及粘合性。随着外部离子强度的改变，RNA的二级、三级结构乃至与蛋白、药物的结合能力也会发生显著变化。生理条件下，细胞通过调控胞质离子浓度，有效维持核酸结构的稳定与正常功能。
细胞内离子浓度的异常变化可能导致核酸结构的不稳定，进而影响基因表达和蛋白质合成的正常进行。近年来，电解质紊乱与遗传病、代谢病、肿瘤等疾病的联系日益受到重视，对离子稳态的调控也正成为RNA疗法和疾病干预的重要策略之一。
结构与功能的关系
序列决定结构
核酸的一级序列（核苷酸排列顺序）是RNA空间结构形成的根本前提。序列中的碱基配对规律决定了二级结构的可能性，而局部序列特殊性、修饰、非标准碱基等又为三维折叠提供了额外的复杂控制。实验表明，一条相同的RNA序列在不同的环境中可能折叠为若干异构结构（异构酶体），结构多态性正是RNA执行多种功能的分子基础。近年来，深度学习与分子动力学模拟技术的结合极大推动了序列—结构—功能网络的预测，RNA靶点设计、药物优化由此获得了新动力。
在基因治疗和药物设计中，准确预测和调控核酸结构已成为重要的研究方向。中国在这一领域的研究正在快速发展，尤其在反义核酸、siRNA、mRNA疫苗结构优化等领域展现出强劲实力。例如，本土团队开发出具有更高折叠稳定性和低免疫原性的RNA分子，有效提升了其在体内应用的安全性和效率。
动态结构变化
核酸结构的本质是动态的。RNA分子能够在环境刺激、离子浓度、蛋白作用下产生各种结构和构象间的切换，此动态性使其能参与信号转导、催化调控等多种与生命紧密相关的复杂过程。比如核糖开关、热敏感元件等瞬时改变自身结构以调控基因表达。通过冷冻电镜、单分子FRET等现代生物物理技术，科学家已能在分子和原子尺度观测到这些快速的结构变化过程，揭示了影响RNA功能的关键动力学参数。
这种动态性还代表着一个全新的药物发现领域：小分子或蛋白可以特异性结合RNA的结构“转变”状态，实现对功能的精准调控。中国科学家也在RNA动态结构调控、功能元件设计领域开展了丰富的原创性研究，推动了RNA工程、合成生物学和分子医学的进步。
小结
核酸结构的复杂性和多样性是生命现象复杂性的重要体现。从DNA的多重构象到RNA的精细二级、三级结构，再到各种金属离子的参与和离子氛调控，每一个结构层次都会直接影响分子的功能表现与生理作用。
理解核酸结构不仅有助于我们认识生命的本质，更为疾病诊断、药物开发和生物技术应用提供了坚实的理论基础和创新的解决思路。随着RNA结构与功能研究的不断深入，结构生物学、新药研发、基因治疗等相关领域正迎来前所未有的发展机遇。
随着结构生物学、计算生物学等技术的不断进步，我们对核酸结构与功能的认知将进一步加深，多尺度全景式揭示其分子运行机制。这不仅将推动人类健康事业和生物技术产业的飞跃，还为阐明所有生命本质问题提供了崭新的视角和工具。