在微观的生命世界里，DNA 通常以双螺旋结构的形式存在，就像一架旋转的楼梯，安稳而有序。但在某些特殊情况下，DNA 会展现出别样的 “舞姿”，形成非 B 型 DNA 结构，其中 G - 四链体（G4）结构格外引人注目。

G4 结构的形成源于核酸中富含鸟嘌呤（G）的区域，这些区域能够组装成独特的四链结构。它由两个或更多的 G - 四联体堆叠而成，每个 G - 四联体则是由四个鸟嘌呤通过 Hoogsteen 氢键相互连接，构成了一个正方形的平面结构，仿佛是搭建起来的 “小积木”。这些 “小积木” 层层堆叠，就形成了 G4 结构。而一价阳离子，如 K⁺、Na⁺和 NH₄⁺，则像是 “胶水”，能够稳定 G4 结构，让它在细胞环境中保持稳定。

科学家们发现，预测的 G4 形成序列（PQSs）广泛存在于各种生物的基因组中。通过全基因组预测 PQSs，就像是给基因组做了一次 “扫描”，可以快速了解 G4 在基因组中的分布情况。研究还发现，G4 在基因组中的分布并非随机，而是高度富集在一些关键的调控区域，如复制起点、启动子、端粒和非翻译区（UTRs）。这暗示着 G4 在生物的生命活动中扮演着重要的角色。不仅如此，利用 G4 特异性抗体和荧光探针，科学家们还在细胞内直接或间接地检测到了 G4 的存在，这进一步证实了它在细胞中的真实存在和重要作用。

G4 在细胞内参与了一系列基本的生命过程，就像一个忙碌的 “管家”，管理着细胞的各种事务。

在 DNA 复制过程中，G4 发挥着双重作用。一方面，它可能像路上的 “绊脚石”，阻碍 DNA 复制的进行，此时就需要解旋酶来 “搬开” 它，以避免基因组崩溃和复制叉停滞；另一方面，G4 又像是一个 “信号塔”，作为假定的识别位点，通过招募复制起始因子，如起始识别复合物、Treslin-MTBP 复合物和复制时间调节因子 1（Rif1）等，来启动 DNA 复制。

在基因转录过程中，G4 同样有着重要影响。许多基因的启动子区域富含 G4，它可以通过影响启动子与转录因子或转录起始因子的结合，来促进或抑制基因转录。例如，在人类基因组中，约 50% 的基因在其调控区域至少含有一个 PQS，这充分说明了 G4 在基因转录调控中的普遍性和重要性。而且，研究发现 G4 还参与了端粒的维护。端粒是染色体末端的 “保护帽”，富含 G4 结构。G4 可以作为端粒酶活性的抑制剂，缩短端粒长度，也可以抵抗核酸酶的活性，维持端粒的稳定，就像给 “保护帽” 加上了一层坚固的 “防护盾”。

除了 DNA G4，富含鸟嘌呤的 RNA 也能形成稳定的 G4 结构。RNA G4 在 RNA 的加工过程中发挥着重要作用，包括翻译、剪接、mRNA 运输和 mRNA 稳定性等。例如，在 mRNA 的 5’非翻译区（5’UTR）中的 G4，有的可以抑制翻译，有的则可以促进不依赖帽结构的翻译，就像给翻译过程安装了不同的 “开关”。

近年来，关于植物中 G4 的研究逐渐增多，让我们看到了 G4 在植物世界里的独特魅力。

通过对拟南芥（Arabidopsis thaliana）、水稻（Oryza sativa）、杨树（Populus trichocarpa）和葡萄（Vitis vinifera）等植物基因组序列的分析，科学家们发现这些植物基因组中的 PQSs 在转录起始位点（TSS）的模板链上富集，这表明 G4 可能在基因转录的顺式调控中发挥作用。进一步对 15 种植物基因组的全基因组 G4 分析发现，植物基因组中最丰富的 G4 类型是含有两个 G - 四联体的 G2 型（超过 90%），而含有三个 G - 四联体的 G3 型占比不到 5%。而且，G2 型 G4 主要富集在与转录和翻译密切相关的区域，如基因区、编码序列（CDS）和外显子区；G3 型 G4 则更多地富集在基因间区、启动子区和内含子区。

在植物应对环境压力的过程中，G4 也发挥着重要作用。在拟南芥中，RNA G4 在负责干旱和酚类化合物生物合成的基因中富集。对水稻基因组中 TSS 周围模板链上含有 G4 的基因进行基因本体（GO）分析发现，与叶绿体和核小体相关的 GO 术语显著富集，这暗示了 G4 在叶绿体中的潜在功能。在玉米中，通过抗体 - DNA 免疫沉淀（BG4-DNA-IP）方法鉴定出的 G4 与缺氧、氧化应激和能量状态等应激反应密切相关。

此外，研究还发现，植物中的 RNA G4 会影响植物的生长发育。例如，在拟南芥中，SMXL4/5 基因 5’UTR 中的 RNA G4 抑制其翻译，进而影响韧皮部的分化；HIRD11 基因 3’UTR 中的 RNA G4 抑制其翻译，影响植物根的生长。而且，生长在低温环境下的植物转录组中会出现更多的 G4，这些 G4 可能帮助植物在进化过程中适应寒冷胁迫。

不仅如此，植物还能产生一些天然的 G4 配体，这些配体具有潜在的药用价值。例如，黄酮类化合物和生物碱等植物 G4 配体，它们可以特异性地结合 G4，有望成为开发抗癌药物的新方向。

昆虫作为研究生物奥秘的理想模型，近年来关于其体内 G4 的研究也取得了不少进展。

在果蝇（Drosophila melanogaster）中，科学家们最早在 HeT-A 元件中发现了 PQS，HeT-A 元件是果蝇染色体末端的一种非长末端重复逆转录转座子。随后，研究发现 G4 与果蝇的染色体结构维持、复制起始等过程密切相关。通过改进的 G4 测序方法，科学家们构建了果蝇全基因组 G4 实验图谱，为进一步研究昆虫中的 G4 提供了重要的参考。而且，在果蝇的唾液腺多线染色体中，G4 对异染色质区域具有高度特异性，这暗示了 G4 在细胞分化中的关键作用。此外，研究还发现一些与 G4 相关的蛋白，如 DHX36 的果蝇同源物 DmDHX36，可以结合并解开 G4 结构，这为研究 G4 的调控机制提供了新的线索。

在非果蝇昆虫中，G4 同样发挥着重要作用。家蚕（Bombyx mori）的端粒 DNA 在体外能够形成 G4 结构，其端粒序列保守，形成的 G4 结构在 Na⁺溶液中比在 K⁺溶液中更稳定。在家蚕基因组中，预测出了大量的 G4，这些 G4 大多位于内含子、外显子、基因间区和启动子区，暗示着它们可能参与基因转录的调控。例如，在家蚕中，G4 在 POUM2、ACBP 和 SGF1 等基因的启动子区域被发现，它可以促进这些基因的转录，进而影响家蚕的生长发育和脂质代谢。

在棉铃虫（Helicoverpa zea）中，位于 CYP321A1 基因启动子中插入转座子 HzIS1-3 内的 G4，能够折叠成分子内 G4 结构，作为沉默子下调 CYP321A1 的表达，影响棉铃虫对植物化感物质和杀虫剂的解毒代谢。在草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）中，基因组 - wide 分析发现 G4 在 P450 和 CarE 基因的启动子区域富集，用 G4 配体处理后，这些基因的表达和酶活性受到抑制，导致草地贪夜蛾死亡率增加。

鉴于 G4 在昆虫和植物中的重要作用，它有望成为害虫防治的新靶点，为农业生产带来新的希望。

目前，G4 作为药物开发的分子靶点，在疾病治疗领域已经取得了一定的进展，尤其是在癌症治疗方面。许多肿瘤组织中形成的 G4 数量明显多于正常组织，而且 G4 在许多癌基因的启动子中富集，这使得 G4 成为抗癌策略的有前景的新靶点。在病毒领域，一些病毒的基因组中含有能够形成 G4 的序列，这些 G4 也有望成为抗病毒治疗的新靶点。

在害虫防治中，我们可以利用 G4 的特性来设计新的策略。一方面，G4 配体可以作为农药使用。这些配体能够进入细胞，稳定或破坏 G4 结构，干扰害虫重要发育相关基因的表达，从而导致害虫幼虫发育异常。另一方面，G4 配体可以作为农药增效剂。当害虫接触农药时，它们会通过上调解毒酶编码基因的表达来抵抗农药，而 G4 配体可以抑制这些解毒酶编码基因的表达，增强农药的杀虫效果。此外，植物源的 G4 配体也具有很大的潜力。许多植物提取物中含有 G4 配体，我们可以通过构建转基因植物来提高这些配体的浓度，当害虫取食这些植物时，配体可以与害虫体内的 G4 结合，影响害虫基因的转录和功能，从而干扰害虫的发育。

虽然目前关于 G4 相关化合物的测试和应用还没有取得重大突破，但从植物中大规模筛选 G4 结合化合物的工作已经启动。随着越来越多的 G4 在昆虫和植物中被鉴定出来，它们的调控功能也逐渐被揭示，针对 DNA 或 RNA G4 的新型杀虫剂和策略将为害虫防治提供新的方向。与传统的杀虫剂相比，G4 相关的杀虫剂具有更高的物种特异性和环境友好性，有望成为未来农业害虫防治的重要手段。相信在科学家们的不断努力下，G4 在害虫防治领域将发挥更大的作用，为农业生产带来更多的福祉。