众所周知,两条DNA单链分子通过碱基互补配对原则可以形成双链结构,即我们所熟知的DNA双螺旋结构。之后随着人们对DNA分子结构认识的不断加深,越来越多的DNA结构被解析出来。这其中就包括在1962年Gellert等人提出的G-四链体模型和1993年leroy等人解析的I-motif结构。G-四链体是由一段含有几组鸟嘌呤重复单元的DNA序列折叠成具有四股核苷酸链的DNA二级结构,通过特定的阳离子进一步稳定结构;而I-motif结构是由一对平行的胞嘧啶双链以“从头到尾”的方式交互嵌入而成,双链内部是通过部分质子化胞嘧啶形成C·CH+碱基对连接起来的。由于能形成四链DNA结构的序列位于人体染色体许多重要的区域,同时四链结构的形成与解离在许多重要的生理活动中发挥作用,近些年来越来越多的科研工作者开始关注和研究四链结构。此外,人们发现通过控制实验条件的转换,可以实现双链与四链DNA结构的转化,这就为“DNA分子机器”和“DNA分子探针”的运行提供了可能。基于以上研究背景,本论文着重从以下几个方面对DNA双链结构和四链结构的基本性质进行深入研究以及探究双链或四链几种不同组合模式下形成的DNA纳米结构:a.利用电喷雾质谱,紫外光谱和圆二色谱对d（C4）及其衍生序列形成的四分子I-motif结构进行探究。根据以前文献中关于四分子G-四链体形成路径的研究方法,我们对四分子I-motif结构的形成路径进行了确认。在实验中,我们观察到了四分子I-motif结构的双分子和三分子中间体结构,进一步证明分子间Imotif结构的形成是逐链聚合的过程。此外,在这个过程中我们还观察到I-motif多聚物结构。通过质谱对四分子离子气相碎裂实验和溶液相温度控制实验,我们还对比了I-motif结构在气相中和溶液相中解离过程的相同点和不同点。b.探究d（XGmX）与d（XCmX）（X=A,T;m=4-6）序列形成的不同种四分子G-四链体之间和四分子I-motif结构之间的结构竞争关系。这主要包括四链体结构末端碱基种类,G-或C-重复单元长度的影响。实验结果表明,同源链聚合形成不同四链结构时是一个随机组合的过程。但是,在足够的拟合时间条件下,不同种分子间四链体最稳定的聚合状态是“自组模式”。通过控制上述影响因素使得不同四链体结构之间的热稳定性相差越大,DNA链“自组”形成四链体结构所需要的时间越短。c.根据文献报道,含有五个胞嘧啶碱基重复单元序列形成的四分子I-motif结构可以承载十个碱基长度的末端残基。基于此,我们分别在C₅序列片段的两端加入一段G碱基重复单元,即d（XGiXC₅X）和d（XC₅XGi X）（X=A,T或无;i<5）序列,探究四分子I-motif结构对于G-重复单元的承载能力。这些序列会形成多种形态的DNA结构,但是可以通过溶液p H和离子种类控制它们的形成。最终我们筛选出d（TGiAC₅）为最优序列组合。之后我们进一步设计出d（TG4AC₇）和d（TGBr GGBr GAC₇）两条序列,实验表明,在酸性钾离子条件下,前者可以形成“平行G-四链体+I-motif”模式下的四链DNA纳米结构,在原子力显微镜下主要呈现出V-型和环状结构;而后者在酸性钠离子条件下,可以形成“反平行G-四链体+I-motif”模式的四链DNA纳米结构且主要呈现出长条状结构。d.文献中报道“Holliday Junction”DNA结构是基因重组中一种非常重要的中间产物同时在调控基因表达中发挥重要作用。此外,这种结构还是构建二维和三维DNA结构非常常见的基本单元。在这部分实验中我们设计了几条DNA序列,通过调控碱基互补配对的方式,使得“Holliday Junction”DNA结构部分发生错配,形成“反十字形”DNA结构从而产生单链“柔性分支”。这些单链“柔性分支”可以将不同错配的“反十字形”DNA结构连接起来形成DNA大分子结构。如果设计“反十字形”DNA结构“分支”部分的序列为富G和富C序列,通过控制实验条件,可以实现双链大分子结构与“四链+双链”模式的大分子结构之间相互转化（此部分工作在深入探索中）。