近日，中国药科大学工学院程明攀教授课题组在国际著名期刊Nucleic Acids Research在线发表题为“High-throughput measurement and prediction of the i-motif DNA stability landscape”的研究论文。这是该团队在2025年报道首个基于i-motif DNA的分子信标后，在该领域的又一个重要研究进展。该研究首次系统揭示了环境因素（温度、pH、离子强度）对i-motif DNA结构稳定性的协同调控机制，并建立了多因素条件下双向预测其热稳定性和pH稳定性的数学模型。我校2022级硕士储成杰和2023级硕士生张世龙为本文共同第一作者，程明攀教授为独立通讯作者，中国药科大学为唯一通讯单位。
i-motif是一种由半质子化CC+碱基对插层形成的四链核酸结构，广泛存在于人类基因组中，尤其在基因启动子、端粒和着丝粒等关键区域富集。其在基因表达调控、DNA复制抑制、端粒酶活性调控等生物学过程中发挥重要作用，同时也被广泛用作pH响应型纳米器件和智能药物递送系统的核心元件。然而，i-motif的结构稳定性对温度、pH和离子强度高度敏感，传统研究多局限于单一或孤立的双条件分析，缺乏系统整合的实验平台和预测工具。
为解决上述问题，研究团队自主开发了五维紫外熔解退火（5DUVMA）方法，并为此专门研制了实时温控高通量紫外-可见光分光光度计，实现了对i-motif在不同pH、温度和离子强度组合条件下的结构稳定性高通量并行测量。研究团队对Tel21C和长C-tract序列C9进行了系统分析，揭示了离子强度和pH对i-motif稳定性的非对称调控机制：热稳定性随pH/离子强度升高而下降，而pH敏感度对温度的依赖性在不同离子强度下表现出显著差异。此外，研究还发现低离子强度和高pH条件有助于诱导C9形成多种i-motif构象，并促使更多的低稳定性构象形成。基于5DUVMA获取的海量数据，团队首次建立了可双向预测i-motif热稳定性和pH敏感度的数学模型。该模型综合考虑了质子与钾离子的协同结合效应，预测误差在控制在2°C或0.1 pH单位以内，展现出优异的预测性能。
这项研究不仅为高通量测量非典型核酸结构稳定性提供了最佳平台，还从机制层面揭示了环境因素对i-motif折叠的复杂调控规律，并建立了可靠的数学预测模型，为i-motif的基础研究及其应用开发奠定了重要基础。
该工作得到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏特聘教授、江苏省双创团队和我校高层次人才计划项目的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1093/nar/gkag110
5DUVMA高通量测量i-motif稳定性的示意图