核酸，生物体系中关键的遗传物质，除了采取众所皆知的双螺旋结构外，还能够形成极其广泛的各式构型。其实这种完全不依靠序列的双螺旋结构是非常地独特的。对于其他结构，它们采取什么构型，有多稳定，则是受到它们序列控制的，尤其是受到其中核苷不同的化学性质决定的。在这些结构中，由富含鸟嘌呤的核酸重复序列形成的四链G-quadruplex结构因为其丰富的折叠方式而具有高度的结构多样性。现在G-quadruplex已经成为了人们广泛研究的一个焦点，因为越来越多的实验证据表明这些结构在生物体内扮演着极为重要的角色。鉴于这些G-qaudruplex形成序列广泛分布于人类基因组中控制基因的表达和染色体的维持，它们作为一类重要的靶点为未来提供了新型抗癌药物的发展途径。例如，人体端粒DNA是一种由非编码的具有高度重复序列d（TTAGGG）构成的，它与细胞的年龄和癌症相关。因此，由人体端粒DNA形成G-quadruplex作为一类治疗癌症药物潜在的靶标，引起了人们极大的关注。G-quadruplex也广泛的存在于非端粒的基因组中，尤其是位于基因启动子区域，其中G-quadruplex的形成需要与双链的解离同时发生，同样能够通过控制癌基因的转录而作为另一个抗癌的靶标。但是，尽管G-quadruplex DNA被认为在生物过程中起着不可忽视的作用，这些结构是否在活细胞内存在依然缺乏充分的证据，而且它们在细胞生理条件下到底是采取何种构象则完全不清楚。所以，阐明它们在体内的实际结构形态，并进一步通过人工手段监测和控制它们的结构行为对于认识细胞机制和发展药物都是极为关键的，毫无疑问值得广泛而深入的研究。本论文的一个研究焦点是阐明在不同环境中DNA结构的多态性以揭示它们在活细胞内的真实行为。DNA的结构能够被分子拥挤和去水化，这两种会在细胞内发生的效应所影响。之前的研究通常只考虑到DNA结构的稳定状态，而在这里，我们提出了在分子拥挤环境中，人体端粒DNA形成的G-quadruplex处于缓慢的动态转化过程中。因为细胞内是被许多生物大分子所填充的，我们这里观察到的现象可有可能与人体端粒DNA在活细胞内的行为有一致之处。此外，我们也研究了去水化效应对DNA结构的影响。我们发现，在疏水环境中，DNA的结构会发生极大的改变，双链DNA变得不稳定而四链DNA则愈加稳定化，并伴随着富含G的DNA双链的解旋行为的巨大不同。这就为我们理解基因转录过程中双链的解离和四链的形成提供了一种不同的角度，因为在此过程中，DNA是被包裹在酶所创造的疏水环境中的。本论文的第二个焦点是研究DNA G-quadruplex结构与化学合成的小分子之间的相互作用，以发展新的基于DNA结构的生物探针和抗癌药物。我们设计和合成了一种新型的双核钌配合物，它能特异性的识别G-quadruplex结构。荧光实验证明这个钌配合物与G-quadruplex作用时能够发出极强的荧光响应，并与双链结构相比具有极高的选择性。基于此，G-quadruplex结构能够通过借助这个小分子而实现在体外和体内的肉眼观察。探测G-quadruplex结构对于细胞的增殖，癌症研究和药物发展都具有重大的意义，而这里构筑的探针有希望成为一个有实际应用价值的工具。我们还报道了一个简单的吡啶酰胺小分子，由三个吡啶环和四个酰胺键组成。与其他报道的G-quadruplex配体比较，我们发现这个化合物具有两个独特的性质。它一方面能够诱导人体端粒G-quadruplex发生一个动力学缓慢的单分子构型转化行为，而丰富了DNA的结构多态性和提供了新的药物设计的考虑因素。另一方面，它还能控制双链和四链结构的竞争，即使富含G的区域被束缚在长的双链DNA中。现在一般认为基因转录过程中涉及双链的解离，而G-quadruplex的形成则会影响一些癌基因的表达。所以此处，这个吡啶酰胺分子能够在长双链体系中选择性的稳定G-quadruplex结构，意味着它能作为一个强力的配体影响G-quadruplex形成序列涉及的基因转录。总而言之，本论文研究了不同环境中DNA结构的多态性以试图揭示它们在活细胞内的真实行为，还针对DNA G-quadruplex构筑了小分子化合物以期望发展出新的生物探针和抗癌药物。而这些工作都为以后探索人为工具在生物体内的实际应用提供了新的考虑角度和实现途径。