全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第21卷 第1期
2009年2月
Vol. 21, No. 1
Feb., 2009
文章编号 ：1004-0374(2009)01-0072-04
Z-DNA 及其生物学功能
汤雅男，杨　攀，胡成钰*
（南昌大学生命科学学院，南昌 330031）
摘　要：Z - D N A 是一种处于高能状态、不稳定的 D N A 分子构象。形成 Z - D N A 的原因有很多：首先，
转录过程中，移动的 RN A 聚合酶在模板 D N A 的 5 端产生负超螺旋扭曲力，导致 Z- D N A 的形成；其
次，含有d(GC)n 序列的核酸分子在高浓度的NaCl、[Co(NH3)6]2+ 盐溶液中也能够形成Z-DNA；最后，化
学修饰也可以使 DN A 产生稳定的 Z- D N A。Z - D N A 是在体外首先发现的，但随着研究的不断深入，发
现 Z - D N A 在体内也广泛存在并可能具有功能的多样性，包括参与基因表达调控、染色体断裂、基因
重组、抗病毒、病毒发生等生物学过程。
关键词：Z - D N A ；基因表达；Z - D N A 结合蛋白；干扰素系统
中图分类号：Q 5 2 3　　文献标识码：A
Z-DNA and its biological function
TANG Ya-nan, YANG Pan, HU Cheng-yu *
(College of Life Science, Nanchang University, Nanchang 330031, China)
Abstract: Z-DNA is an instable and high energy DNA conformation in vivo and it can be formed in many
conditions. Firstly, when RNA polymerase is moving on a DNA template, transcription can result in negative
supercoiling behind the polymerase, thus facilitating Z-DNA conformation at permissive regions. Secondly, the Z-
DNA-conformation which is formed by d(GC)n sequence can also be stabled in high-salt solution of NaCl or [Co(NH3)6]2+
and lastly, the Z-DNA can be formed by covalent modifications. Though Z-DNA was firstly discovered in vitro,
recently many evidences revealed that Z-DNA was widely existed and may possessed diversity of function in vivo,
including gene expression and regulation, chromosomal breaks, recombination, antivirus defense and virus
generation and so on.
Key words: Z-DNA; gene expression; Z-DNA binding protein; IFN system
收稿日期：2008-07-15；修回日期：2008-08-18
基金项目：国家自然科学基金(30560116)
*通讯作者：hucy2008@ 21cn.com
在体内，DNA 分子以多种构象同时存在并处于
动态变化之中，包括右手螺旋DNA(B-DNA)、左手
螺旋DNA(Z-DNA)和处于B-和Z-DNA 之间的A-DNA。
Z-DNA最早发现于20世纪70年代。Pohl和Jovin[1]
发现 d(GC)n 在高盐溶液中的CD 光谱与B-DNA 不一
样，随后，Wang 等[2]也发现 d(GC)3 六聚体的构
象与标准的B-DNA 完全不同，这些d(GC)n 分子磷
酸和糖的骨架呈现Z(zigzag)字形走向，故命名为
Z-DNA。尽管 Z-DNA 首先在体外发现，但现有的
资料充分表明Z-DNA 在体内也广泛存在[3]，并可能
具有非常重要的生物学功能[4]，即与基因的表达调
控有关，可能参与染色体断裂、易位和基因重组，
以及参与抗病毒、病毒发生的病理过程等。
1　Z-DNA 的形成、分布及其特征
基因转录时，RNA 聚合酶在DNA 双链上移动产
生的负超螺旋能够使其局部的DNA产生Z型构象[5]，
所造成DNA链的局部不稳定性就成为潜在的解链位
点。由于解螺旋是DNA复制和转录过程中的必需环
7 3第1期 汤雅男，等：Z - D N A 及其生物学功能
节，所以，这一区域可能与基因调控有关，如人
的137个基因中形成Z-DNA 的序列都偏好分布在转
录位点附近[6]。由此，Brown 等[7]认为 Z-DNA 偏好
分布于基因的启动子附近。
由于负超螺旋插入片段能够提供 B-DNA 翻转
成 Z-DNA 必需的能量，因此，在体外，Z-DNA 的
形成不再依赖于某些特殊的序列，而只要达到充分的
负超螺旋能量即可。尽管如此，在体内，形成 Z -
DNA 的核苷酸还是有强烈的偏好性[5]。首先，交替
排列的嘌呤-嘧啶在负超螺旋条件下能形成Z-DNA；
而与d(AT)序列相比，交替的d(GC)序列最容易形
成 Z-DNA [8]。其次，DNA 的甲基化会使表面暴露
的胞嘧啶形成5-甲基胞嘧啶，导致B-DNA向 Z-DNA
的转化[9]。这种C5甲基化的现象在真核生物中非常
常见。最后，在高盐状态下，一价或二价阳离子
能有效屏蔽 Z-DNA 所需的高能，从而使 Z-DNA 能
在高盐状态下稳定存在。因此，Z-D N A 的形成可
能有多因素诱导。
与 B-DNA 不同，Z-DNA 是一种处于高能状态
的 D N A 。所以，在一定程度下，它是不稳定的，
并随时会向 B-DNA 转变。在体内，Z-DNA 由转录
或者展开核小体产生的负超螺旋来稳定，常需要具
有一些特定结构域的蛋白质(Zα结合蛋白)帮助固定
(图 1)。
Z-DNA 的高度不稳定性使得对它的研究变得十
分困难。目前，单晶体X射线衍射法(single-crystal
X-ray)[2]、扫描隧道显微镜(STM)[10]、圆二色谱
(circular dichroism, CD)[1]和琼脂糖凝胶双向电泳可在
体外鉴定 Z-DNA[11]。例如 X 射线衍射法、扫描隧
道显微技术可以直接分辨出Z-DNA 分子的左手螺旋
结构等。
2　Z-DNA 的功能
鉴于Z-DNA 具有不稳定的物理性质，很难获得
天然并具有活性Z-DNA。目前在体外替代Z-DNA 的
均为人工合成的d(GC)n 及其重组质粒。这些人工合
成的核酸分子须由高盐溶液或Z-DNA 结合蛋白来稳
定，它们能否真实地反映体内Z-DNA 的功能还不清
楚。另外，许多对Z-DNA 的研究结果均来自Z-DNA
与 Z-DNA 结合蛋白的Zα 域结合复合物的报道，因
此，Z-DNA 的功能可能在很大的程度上与Zα 有关。
2.1　Z-DNA 与基因表达　许多研究发现Z-DNA 的
形成与转录激活有着很强的直接关系。用哺乳动物
U937细胞制备通透性细胞核证实，当转录持续活化
时，带生物素标记的抗Z-DNA 抗体进入细胞核的水
平与核内基因转录水平成正相关[12]。而且，在 c-
MYC 基因启动子附近的3 个DNA 片段仅在该基因处
于活性转录时才能与抗Z-DNA抗体结合[13]。进一步
的研究证实，启动子的活化与Z-DNA 的形成可能是
由DNA超螺旋所调控，如在高渗生长培养基中增加
DNA 超螺旋比例使得鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella
typhimurium)的入侵基因invA转录水平提高到低渗
培养条件下的8倍左右，反之通过促旋酶(gyrase)
抑制剂降低 DNA 超螺旋水平同样也降低了 invA 表
达的水平[14]。
奇怪的是，Z-D NA 有时也抑制转录，如超螺
旋的松弛反而会促进鼠伤寒沙门氏菌的组氨酸操纵
子的表达[15]。这种转录抑制可能是由于在转录过程
中转录机器被Z-DNA 阻滞的缘故。例如在体外，大
肠杆菌RNA 聚合酶被阻挡在Z-DNA 构象(CG)16 负超
螺旋序列的边界，当Z-DNA 序列松弛并以B型存在
时，转录机器才能通过[1 6 ]。进一步的研究发现，
如果一段序列包含Z-DNA 元件，那么这段序列很可
能不能召集相关的转录因子。例如，当一个转录因
子 E2F 结合位点 GCGCGAAA 有一些 GC 或 GT 重复
序列在临界的上游区并可能以Z-DNA 构象存在时，
会阻碍E2F 与转录因子的结合[17]。若删除大鼠Ncl
图1 Z-DNA的形成与维持[5]
7 4 生命科学 第21卷
启动子区和第1 个内含子中含有的(CA)10(CG)8 序
列，反而可以使启动子活性增加 ~50% [18]。同样，
在新杆状线虫(Caenorhabditis elegan)中，当交替排
列的嘌呤- 嘧啶处在基因或启动子的两侧区时，会
表现出对tRNA pro基因的表达有强烈的抑制效应[19]。
另外，Z-DNA 结合蛋白可能会以比转录因子更高的
亲和力结合到这个靶DNA序列，从而干扰了转录因
子的结合和功能。
因此，Z-DNA 可能通过不同的方式调控基因表
达，调控方式也许与Z-DNA在基因中的位置和稳定性
有关。当然，具体的调控机制还有待进一步的研究。
2.2　Z-DNA 与诱导的遗传不稳定性　人致癌基因
C-MYC中 Z-DNA 的形成会诱发遗传不稳定性[13]，同
样，Wang等[20]也发现(CG)14 形成的Z-DNA在细菌和
哺乳动物细胞中会诱导高度的遗传不稳定。毫无疑
问，这种遗传不稳定性和Z-DNA 诱发的染色体断裂
热点(chromosome breakage hot spots)之间存在偶联关
系[21]，而且Z-DNA 是染色体断裂热点中出现最频繁
的元件。这暗示Z-DNA 所造成的遗传不稳定是因为
它参与了染色体断裂和易位。而且，在白血病发现
的染色体易位中，拓扑异构酶II 的剪切位点和DNA
酶 I 敏感位点均位于染色体断裂热点区域。其中，
DNase I剪切DNA形成B-Z连接(B-Z junctions)处的单
链区，拓扑异构酶II 偏好于结合和剪切Z-DNA 形
成序列区[22]。目前看来，Z-DNA 诱发 DNA 链的断
裂可能是遗传性疾病、突变产生的原动力之一。
(CG)14 诱发周围的DNA双链断裂导致整个重复
序列和侧翼的突变报告基因大面积删除，且断裂区
域超过400bp，与白血病和淋巴瘤中的染色体断裂
点的结果相一致[20]。这种大范围删除在哺乳动物细
胞中是非常显著的(~95%的突变)，但是在细菌中就
非常少(<5% 的突变)。除核基因组外，携带Z-DNA
形成序列的质粒在大肠杆菌中也很难留存，这很有
可能是因为含有(CG)的质粒在细菌中复制时，质粒
很容易被剔除的缘故，也就是说携带Z-DNA 的质粒
在大肠杆菌中也很难留存。然而，在大肠杆菌缺陷
菌株 SURE® (缺陷了核酸酶的 SbcC、重组蛋白的
RecB和 RecJ以及修复蛋白的UmuC和 UvrC)中，具
有Z-DNA 形成序列的质粒非常稳定，这表明在大肠
杆菌中重组及修复活性可能与Z-DNA有关[23]。另一
方面，Z-DNA 诱导的遗传不稳定性可能会促进基因
重组，如酵母中的GT序列(34bp)能够促进减数分裂
重组[24]。Kobori 等[25]认为小鼠染色体中2%的重组
可能与其存在许多长链 GT 重复拷贝有关。加入抗
Z-DNA 抗体或者改变DNA 超螺旋密度会破坏Z-DNA
构象和抑制重组中链的配对[22]。另外，由 Z-DNA
诱导的DNA 双链断裂(DSB)也很可能导致重组，如
非等位姐妹染色单体会发生交换[26]。
尽管如此，Z-DNA 诱导遗传不稳定性的机制还
不十分清楚，推测可能与复制滑动(slippage)有关。
而(GC)4(GT)2(GC)3GT(GC)4 和(CG)5(TA)3(CG)4 的 GT
和 AT 插入到 GC 重复序列中打断了 GC 的连续性，
降低了滑动事件，因此，非 Z-DNA 核酸分子表现
出比(CG)14在大肠杆菌中明显减少的被剔除频率[20]。
2.3　Z-DNA 与干扰素系统　在许多情况下，Z-DNA
是与其结合蛋白共同在体内行使重要作用的，特别
是在病毒发生和宿主先天免疫防御过程中。所以，
Z-DNA 结合蛋白在体现和维持Z-DNA 功能中有重要
的作用。近年来，在人类、哺乳类、痘类病毒和
鱼类中报道了多种Z-DNA 结合蛋白[27]。其中ADAR1
(adenosine deaminases acting on RNA)、ZBP1(Z-DNA
binding protein 1, DLM-1)、PKZ(protein kinase con-
taining Z-DNA binding domain, PKR-like)为干扰素诱
导蛋白，它们在细胞抗病毒过程中起作用，而E3L
为病毒分泌蛋白，能够抵御宿主干扰素系统的抗病
毒作用。因此，Z - D N A 与干扰素系统密切相关。
E3L 是牛痘病毒分泌的致病蛋白，与Z-DNA结
合后可能会干扰宿主防御系统运行[28]。Z-DNA 能与
ADAR1 特异结合并被稳定，使 ADAR1 能够行使抗
病毒的功能[6]。DLM-1(ZBP1)在自身免疫反应中扮
演一个传感器的作用，通过Z-DNA 与其调节区域结
合激活，而后功能区招募IRF3和 TBK1因子并传递
诱导启动I型干扰素的表达[29]。斑马鱼PKZ与Z-DNA
有明显的结合[30]，同样，鲫鱼PKZ 的 Zα 能与包含
d(GC)13 的重组质粒结合[31]。有趣的是，鱼类PKZ
与哺乳动物PKR(dsRNA-activated protein kinase)具有
相类似的功能，即由病毒感染而激活并随后磷酸化
翻译起始因子eIF2α，导致细胞中蛋白合成的整个下
游调控减弱并抑制病毒复制[32]，但 PKZ 是由Z-DNA
激活而不同于 PKR 的 dsRNA 激活。Z-DNA 究竟如
何与鱼类PKZ 结合及其有何生物学意义还有待进一
步的研究。
3　展望
Z-DNA 与许多生物学和病理过程有关的证据使
人们对DNA的物理结构与疾病发生的关系有了新的
认识。虽然对Z-DNA 在体内确切的功能和机制还不
7 5第1期 汤雅男，等：Z - D N A 及其生物学功能
完全了解(部分原因是Z-DNA的不稳定性而使实验受
阻)，但已有的证据足以支持Z-DNA 与这些过程有
关系。所以，未来的研究应该细化 Z-DNA 在发育
和组织特异性等方面相关作用机制的探讨，鉴定与
Z-DNA 相互作用的一整套反式作用因子及其与疾病
之间的关系等。
[参　考　文　献]
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