G-四鏈體是由一段或幾段富G序列通過分子內或分子間Hoogsteen氫鍵連接成具有四股核苷酸鏈的DNA二級結構，特定的陽離子（K+、Na+、NH4+等）位於結構中心進一步穩定結構。相對於雙鏈DNA來說，G-四鏈體結構具有離子依賴性，並根據富G序列的不同特點呈現出不同的結構形態，因此為許多生物有機小分子提供不同的識別位點。這些小分子配體不僅可以識別特定構型的G-四鏈體，形成複合物結構後還能顯示出特別的生物活性。其中，G-四鏈體與高鐵血紅素（hemin）形成的複合物顯示出過氧化物酶催化活性，因此被稱為G-四鏈體/hemin脫氧核酶（G4/hemin DNAzyme），又叫G-四鏈體過氧化物酶。目前，作為一種人工酶或催化劑，G-四鏈體過氧化物酶被應用在生物分析、分子機器和DNA傳感器等多個領域。相較於傳統的催化酶，它具有低成本、易操作和高穩定性等優勢，這使得探究其催化的內在機理、提升催化活性的研究變得愈加重要。然而，已有研究僅給出一些經驗式結論，如hemin更傾向於與平行或混雜型的G-四鏈體結合，hemin主要與平行G-四鏈體的3′末端的G-平面作用等。
為探究G-四鏈體過氧化物酶催化的內在機理、一般規律以及建立高效的催化體系，中國科學院蘇州
納米技術與
納米仿生研究所研究員裴仁軍課題組展開系列工作。項目團隊研究在d（G3TG3TG3TG3）序列（簡寫為TTT，它主要形成分子內平行G-四鏈體）的不同位置處引入極性轉折位點，即設計3′G5′-5′GGTG3TG3TG3-3′（G55TTT）、3′G3TG35′-5′TG3TG3-3′（TG55TT）、5′G3TG3TG3TGG3′-3′G5′（TTTG33）和5′G3TG3T3′-3′G3TG3-5′（TTG33T）四條序列，探究不同序列修飾對於結構形成和穩定性的影響。實驗結果表明，以上修飾不會改變結構的平行構型，然而不同極性轉折位點的引入對G-四鏈體結構穩定性和結構末端堆積具有重要影響：如當序列中末端一個G鹼基發生轉置時，G-四鏈體結構的穩定性和分子間末端堆積相應增強，因此修飾後富G序列形成的G-四鏈體與卟啉分子（如NMM和hemin）的相互作用增強，有利於提升G-四鏈體過氧化物酶的催化活性；相反，如果在序列的中間位置（靠近中間T鹼基處）引入轉折位點，G-四鏈體結構的穩定性和分子間末端堆積相應減弱，不利於四鏈DNA結構與hemin的結合（圖1）。該研究發表在Wiley旗下雜誌Chemistry-A European Journal上。
項目團隊選取較短的d（AGGGGA）序列為初始研究對象，該序列主要形成四分子平行G-四鏈體，末端的A鹼基作為酸鹼催化劑有利於進一步提升體系的催化活性。實驗中，對d（AGGGGA）序列中的G鹼基的8號位點進行選擇性溴代修飾，改變鳥嘌呤核苷的順反異構，獲得不同構型的末端G-平面。設計d（AGBrGBrGGA)（F12）、d（AGBrGGGBrA）（F14）和d（AGBrGGBrGA）（F13）三條序列，形成四鏈結構（圖2A-2D）。圖2E-2F顯示，它們與卟啉分子NMM和hemin結合後螢光性能和催化活性大小順序為：AG4A ≈F12>F14>F13。hemin親和力測試實驗與上述結果保持一致，由此可以得出平行G-四鏈體催化活性大於反平行G-四鏈體主要是由於結構中含有3′-末端G-平面，且末端G-平面中反式的鳥嘌呤核苷更有利於與hemin結合發揮催化性能。
在此基礎上，研究團隊對d（AGGGGA）序列進一步修飾——在序列的不同位置處引入極性轉折位點，設計3'AG5'-5'GGGA3'（AGS55）、3'AGG5'-5'GGA3'（AG55）、5'A3'-3'GG5'-5'GG3'-3'A5'（A33G55）、3'A5'-5'GG3'-3'GG5'-5'A3'（A55G33）和5'AGG3'-3'GGA5'（AG33）五條序列，形成四鏈結構（圖3）。對比後發現，它們的催化活性大小順序為：AG55>AGS55>A33G55>A55G33>AG4A>>AG33（圖4）。結合hemin親和力實驗結果可以得出，增加3′-末端G-平面和3′A鹼基的個數均可以提升G-四鏈體過氧化物酶的催化活性。該研究成果發表在Royal Society of Chemistry旗下雜誌Chemical Science上。
研究團隊設計出具有酸性依賴性的G-四鏈體過氧化物酶。目前報導的大部分G-四鏈體過氧化物酶都顯示在pH為弱鹼性的溶液條件下呈現較好的催化活性，上述實驗結果顯示，當G-四鏈體序列中含有多個末端A鹼基時，在ABTS-H2O2體系下，弱酸性溶液中的催化活性較好。為進一步設計出具有酸性依賴性的G-四鏈體過氧化物酶，該團隊在d（AG4A）序列的3'末端引入-CCCCCCC（-C7）片段，即d（AG4AC7），該序列在特定的酸性溶液中可以組裝為「G-四鏈體+I-motif」交替連接的超分子DNA結構，在中性或鹼性溶液中則主要以單鏈或不完全互補的雙鏈形式存在。因此，d（AG4AC7）若且唯若體系在弱酸條件下（pH 4.5-6.0）顯示出較強的催化活性。相同原理，d（AGBrGGBrGAC7）（F13C7）、3'AG5'-5'GGGACCCCCCC3'（AGS55C7）兩條序列與hemin形成的複合物結構顯示出類似的特性。3'AGG5'-5'GGACCCCCCC3'（AG55C7）序列中，3'AGG5'-5'GGA3'片段形成的四分子G-四鏈體具有非常強的熱穩定性（Tm>95℃），因此AG55C7在酸性條件下組裝超分子結構，在非酸性條件下以四分子G-四鏈體單體形式存在，使該序列的催化活性受pH影響有限（圖5）。該研究成果發表在Royal Society of Chemistry旗下雜誌Chemical Communications（DOI：10.1039/D0CC03082A）上。(
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