1. 概述
Z-DNA是一种左手螺旋的双链DNA，因其糖磷酸骨架排列呈Z型而得名[1] [2] 。早在1971年，Pohl等就发现高盐溶液与低盐溶液中d(GC)n的圆二色性色谱完全相反[3] ，这个谜底在1979年由Rich[4] 发现，他通过X线衍射法测得Z-DNA结晶片段中各原子的位置，从而证实了Pohl的猜想，即存在这种与传统B-DNA模型不同的左旋Z型构象的DNA。
2. 形成条件与转换特点
Z-DNA是一种高能的DNA，且形成短暂，很容易变回B-DNA，这也给它的研究带来了一定的麻烦。目前，单晶体X射线衍射法(single-crystal X-ray)、扫描隧道显微镜(STM)、圆二色谱(circular dichroism, CD)和琼脂糖凝胶双向电泳可在体外鉴定Z-DNA[5] 。
如今也有很多方法促进和维持Z-DNA的形成，如高盐状态下，一价或二价阳离子，如Na+、Mg2+、Ca2+和Ba2+等能有效屏蔽Z-DNA所需的高能，使Z-DNA稳定。又如多胺类(精胺、腐胺和精眯)、化学修饰剂(甲基化剂和卤化剂)、稀土元素[6] 等均利于Z-DNA形成并稳定。此外，负超螺旋在细胞内也是刺激形成Z-DNA的原因，负超螺旋在生物系统的DNA代谢中很常见，包括复制，转录等。转录时，RNA聚合酶在DNA双链上移动产生负超螺旋，DNA双链解开，从而产生反向扭转力使Z-DNA稳定[2] 。而在体内，Z-DNA常需要一些特定结构域的蛋白质来稳定其构象，即Z-DNA结合蛋白。最近研究还发现荧光碳点可促进B-DNA向Z-DNA的转换，且具有序列和构象特异性，偏好于结合DNA深沟的GC序列[7] 。
DNA B-Z的转变备受关注，不仅因为它重要的生物特性，还因为它与疾病和DNA纳米技术关系密切[8] 。DNA纳米技术可利用DNA的B-Z转换来设计和产生人工核酸结构，并用于生物合成[9] 。
关于B-Z转换时的结构变化，韩国一个研究小组发现，每当一个DNA片段从B-DNA转变为Z-DNA时，就有两个B-Z连接形成，在两种DNA片段之间，出现连续的碱基堆积现象，然后连接处的一对碱基对断裂，两侧各有一个碱基被挤出，这些被挤出去的碱基可能是DNA修饰位点[10] 。而且DNA的这种变换几乎只破坏并挤出了双链中一对碱基对，结构破坏小，这样的B-Z连接通常较稳定。
3. 结构与分布特点
尽管上述各种条件可以促使Z-DNA的形成，Z-DNA的核苷酸序列仍有其特点，即嘌呤与嘧啶的交替排列[7] 。最常形成Z-DNA的是d(GC)n，其次是d(TG)n的重复序列，而d(AT)则不太利于Z-DNA形成，可能与A-T碱基对中氨基缺乏，不能在螺旋沟内与水分子形成氢键，而使附近水分子呈无序状态有关[11] 。此外，除了这种交替排列的嘌呤–嘧啶序列，其他序列如d(GGGC)n也有转变为Z-DNA构象的潜力[12] 。这些具有形成Z-DNA潜在能力的区段称为潜在Z-DNA，如今也有一些程序可以探测这些潜在的Z-DNA序列，如Z-Hunt[13] 。
在Z-DNA结构中，嘌呤是顺式构象，而嘧啶是反式构象，这样交替的顺反式构象就Z-DNA的骨架呈Z型[1] ，B-DNA的嘌呤和嘧啶则都是反式构象。同时与B-DNA相比，Z-DNA的只有一条深沟，B-DNA有主沟和副沟之别，且Z-DNA较纤细，排列较紧密，每个螺旋比B-DNA多1~2个碱基对。
此外Z-DNA的分布也有其偏好，潜在的Z-DNA序列常在基因的5’末端发现，大部分分布于转录位点附近或启动子区域，估计80%的基因转录起始位点都有易于形成Z-DNA的序列[13] 。但也有研究发现在他们鉴定的186个Z-DNA热点中，有46个位于着丝粒区域，只有2个位于启动子区域。总之，这都暗示这样的Z-DNA序列与基因调控有着一定关系。
4. Z-DNA的生物学功能
4.1. 与转录的关系
Z-DNA不能形成核小体[14] ，这样一种位于转录起始位点附近的结构能招来转录因子，转录就能发生，它不仅能够激活转录，同时也能抑制转录。
研究发现集落刺激因子-1(CSF-1)基因的转录需要Z-DNA构象的存在[10] [15] 。在c-MYC基因启动子附近的3个DNA片段仅在其处活性转录时才与抗Z-DNA抗体结合，如果C-MYC停止转录，这些片段就回复到B-DNA。此外，Nie等[16] 也发现ADAR1通过与核因子90(NF90)作用，能上调NF90介导的靶基因的转录，NF90与ADAR1及其Z-DNA结合域的作用在这个过程中有着重要作用[17] 。
Z-DNA的转录抑制可能是由于在转录过程中Z-DNA阻滞了转录机器的缘故。例如在体外，启动子附近的Z-DNA构象(CG)16负超螺旋序列将大肠杆菌RNA聚合酶被阻挡在这个序列边界，只有当Z-DNA序列转变为B-DNA时，转录机器才能通过[18] 。此外，一段包含Z-DNA元件的序列，很可能不能召集相关的转录因子[5] ；再者，Z-DNA结合蛋白可能与靶DNA序列的亲和力更高，而将干扰转录因子与靶DNA的结合。可见Z-DNA的这种抑制作用机制较多，还有待进一步研究分析。
4.2. 遗传不稳定性
2006年，Wang等[19] 发现(CG)14形成的Z-DNA在细菌和哺乳动物细胞中能高度诱导遗传不稳定，其他研究也发现Z-DNA频繁出现在染色体断裂热点中[1] ，暗示Z-DNA造成的遗传不稳定性与其参与染色体断裂和异位有关系。在哺乳动物细胞中，这样的Z-DNA能诱发其附近的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，这与白血病和淋巴瘤中染色体断裂点的结果相一致，这也许是这类疾病染色体基因异位现象的诱因，而同时这种细胞环境，如活化的转录可能增加Z-DNA相关的遗传不稳定性[19] 。推测Z-DNA诱导的遗传不稳定性和复制滑动有关[5] 。
4.3. 基因重组
William等做的黑粉菌实验指出，Z-DNA在基因重组中起非常重要的过渡作用。黑粉菌中的recl酶能使染色体在第一次配对后互换片段，它催化的配对反应促使Z-DNA的形成，这种酶与Z-DNA的亲和力是它与B-DNA的75倍，这一紧密结合是这一时期的主要特征[20] 。此外，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[21] ，另一方面，由Z-DNA诱导的DNA双链断裂也很可能导致基因重组，如非等位姐妹染色单体会发生交换。
5. 与人类疾病
5.1. 自身免疫疾病
在自身免疫疾病中，已发现有抗Z-DNA的抗体存在[22] 。多胺配合转录因子，促进Z-DNA构象形成和转录起始，多胺诱导的Z-DNA表现出一定的致病作用，尤其是在血清循环里的DNA，它能促进DNA与抗DNA抗体的作用。如红斑狼疮病人体内升高的多胺促进DNA和抗DNA抗体的结合，从而形成免疫复合物[23] 。所以抑制多胺的药物能够治疗涉及Z-DNA的人类自身免疫疾病[1] 。
5.2. 阿尔兹海默症
阿尔兹海默症(AD)是老年人最常见的痴呆症，其特点是神经元脱失，神经纤维缠结以及老年斑。Suram[24] 等发现AD大脑海马区出现Z-DNA，而在年龄相仿的对照组中没有这种现象，AD患者体内多胺的升高可能与这种DNA构象改变有关。另外，人类基因组序列分析发现在AD特异性基因，如PS1，PS2及APOE的5’端有富含GC的潜在Z-DNA序列[25] 。β淀粉样蛋白是其重要致病因素[26] 。2004年，Hegde[27] 研究认为Aβ可促进DNA向类似Z-DNA的构象改变，猜测Aβ促进Z-DNA构象形成并稳定该构象，Z-DNA也在AD的病理学中有扮演重要的角色。但2010年，Jie Geng[25] 等实验发现Aβ多聚体(非单体)可能促进DNA的Z-B转变，同时使用Aβ聚合抑制剂姜黄素能阻滞DNA的Z-B转变，而Z-DNA的形成使Aβ聚合停留在低聚物阶段，阻滞其纤维化。
5.3. 血液系统疾病
血液系统肿瘤(如白血病，淋巴瘤，骨髓瘤)普遍的基因改变是染色体异位，免疫球蛋白和T细胞受体基因是这种异位常见的作用位点，因为这些基因在相关血细胞中有激活剂，且DNA双链断裂也可在这些基因处自然发生。这些致癌基因的断裂热点常位于能够形成Z-DNA或其他非B-DNA的区域[1] 。如t(12;21)(p13;q22)异位(融合ETV6和AML1基因)是婴幼儿B细胞前体急性淋巴细胞白血病最常见的染色体异位，而ETV6基因的交替嘌呤–嘧啶Z-DNA序列附近发现了一些断裂点[28] 。
5.4. 肿瘤
致癌物常攻击DNA的鸟嘌呤残基，而对于Z-DNA构象的稳定，顺式鸟嘌呤起着重要作用，Z-DNA中顺式鸟嘌呤上的N7和C8暴露于主链外，易受到致癌剂攻击[19] 。Z-DNA还可能与金属离子诱导的癌变有关，与镍等金属离子结合能稳定Z-DNA的结构，同时这种与DNA的反应也许会造成选择性的伤害，最终产生致癌作用[1] 。此外，Z-DNA结合蛋白，比如ADAR1，在不同的肿瘤中表达不同，可能上调，也可能下调。总之，Z-DNA及其结合蛋白与肿瘤的关系是不容忽视的，具体机制还需在未来的研究中继续探索。
6. 展望
从Z-DNA发现以来，有关于它的研究不断报导，它的价值也逐渐被人们认识。目前的研究证据足以证明Z-DNA及Z-DNA结合蛋白与许多病理过程有关，使得人们可从另一个新的角度认识各种疾病的机制。虽然Z-DNA在体内的作用机制并不那么明朗，但其重要作用已不容置喙，未来的研究则主要是更全面地探索它在体内的作用机制，为疾病研究及药物研发提供更完备科学的依据。
基金项目
国家自然科学基金面上项目(31371290)；广东省高校人才引进专业(粤财字2011-430)；高等学校博士学科点专项科研基金(20124433120006)；广东省优秀青年人才培养项目(LYM11040)。
NOTES
*通讯作者。