DNA中那几个碱基的故事
这是你以为的 DNA 的样子：
实际上 DNA 可能长这样：
DNA 的二级结构描述的是碱基之间的相互连接关系。我们常说 DNA 的二级结构就是碱基通过一一配对，形成一个线性的分子，但实际上可能大多数时候，事情并不是那么完美。这是为什么？
蛋白质中，氨基酸主链的肽键组成了一级结构，而主链的扭曲形成了它的二级结构，侧链间的氢键、双硫桥键等作用形成了三级结构。同样地，在 DNA 中，为了研究二级结构，我们也要先从它的一级结构——碱基间的连接关系入手。
众所周知，DNA 中存在四种碱基：腺嘌呤 (Adenine, A)、胸腺嘧啶 ( Thymine, T)、胞嘧啶 (Cytosine, C)、鸟嘌呤 (Guanine, G)，其中 C 和 T 有一个环，叫嘧啶 (Pyrimidine, Py)；G 和 A 有两个环，叫嘌呤 (Purine, Pu)。
沃森和克里克告诉我们，A 和 T、C 和 G 分别能用氢键配对。
这叫做沃森-克里克配对 (Watson-Crick base pair)，是中学里学的配对方法，也是最常见的。沃森-克里克配对只允许碱基一一对应，因此一定能形成经典的双螺旋结构。
但是，这几个碱基看起来能建立氢键的位点很多（因为杂原子很多），这样的配对方法真的唯一吗？
沃森和克里克之后十年，卡斯特·胡斯坦 (Karst Hoogsteen) 发现了所谓的胡斯坦配对 (Hoogsteen base pair)。起初，它只是沃森-克里克配对中的嘧啶绕糖苷键转半圈，翻个面之后的构象：
两种配对中的嘌呤都是N3-C4面参与成键；沃森-克里克配对中，嘧啶用N1和C6所连基团成键，在胡斯坦配对中，因为翻了个面，变成了用N7和C6所连基团成键。
如果只是把碱基转一下，是不会影响双螺旋结构的——一一对应的碱基，仍然是一一对应。虽然胡斯坦碱基对的 C1'碳间距较窄，糖苷键角较大（从两个结构式的对比中可以感受得到），但这不影响 DNA 的宏观结构。不过实际上，因为胡斯坦配对允许在碱基的另一个侧面上成键，我们就可以把更多的碱基拧到一起。
用 Py 代表嘧啶 C/T，Pu 代表嘌呤 G/A，-代表沃森-克里克配对，·代表胡斯坦配对，那么一般在 DNA 中，是 Py-Pu 配对；我们可以再加一个碱基，变成 Pu·(Pu-Py)或 Py·(Pu-Py)。
这样，自然地，我们就可以造出三螺旋 DNA。
通过在双螺旋中加入一条三链形成寡核苷酸 (Triplex-forming oligonucleotide, TFO)，就可以形成一个局部的三螺旋结构。RNA 聚合酶无法正常在三螺旋上工作，因此这一段 DNA 的转录就被抑制了。这可能能被用在癌症治疗中——通过设计靶向性的 TFO 来关闭某些基因的表达。
DNA 也有可能通过核糖链条的局部翻转形成分子内三螺旋，这被称为 H-DNA。
因为这种结构不够稳定，因此未在生物体内 (in vivo) 被证实。但已经在体外 (in vitro) 通过抗体技术被观测到。
除了三聚体，胡斯坦配对甚至还允许四聚体的形成。我们可以用四个鸟嘌呤首尾相连，形成鸟嘌呤四合体 (Guanine tetrad)。
这种四合体常见于 G 含量较高的 DNA 片段中。此时鸟嘌呤不再和胞嘧啶两两成键，而是在同一根链上由四个鸟嘌呤自成键。每个四聚体都是一个片状的结构，而若干个这样的片状结构叠起来，就形成了一个鸟嘌呤四联体 (Guanine quadruplex)。
最右边的子图中的箭头代表核糖链的走向，不同的聚合方式可能有不同的走向，但总的结构大致相同。而这样一个“结”，在双螺旋中的样子是这样的：
它同样阻碍了 RNA 聚合酶的工作，终止了基因转录。这就是为什么在设计质粒时，往往需要控制 GC 含量，因为虽然 GC 可以带来更高的分子热稳定性，但同时也会导致更多的阻碍表达的缠结。不过 G4 在生物 DNA 中有大量非随机的分布，可见它在天然 DNA 结构中也能发挥作用。在染色体末端（端粒）常常有几个 G 四聚体，就像一条绳子两段打结，保护了末端的 DNA 结构。
鸟嘌呤可以成 G·G 键，胞嘧啶也可以成 C·C 键。
在一条 C 含量较高的核糖链上，胞嘧啶用 C·C 键相互耦合，也会形成一个缠结，叫做I-基序 (I-motif DNA)。
I-基序也对 DNA 转录起了阻碍作用。但对它的研究不如对 G4 的研究充分，因此我们对它在生物体内的存在情况和实际作用并不是非常了解。
总而言之，胡斯坦配对允许了更多样的碱基配对方法，无论是三个碱基还是四个，亦或是 C·C、G·G 这样的配对，都是可行的。这样非典型的配对导致了各种各样的 DNA 二级结构，如 DNA 三螺旋、G 四聚体、I 基序等等。它们都使得 DNA 无法被正常转录。生物学家们仍然在探究它们在生物体内具体的作用。在未来，这些结构可能会被运用于癌症与其他基因相关的疾病的治疗中。
参考资料.
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