G-四链体是由富含鸟嘌呤碱基的DNA序列在溶液中形成的特殊的四链二级结构，多分布于人体端粒和癌基因的启动子区域。近二十年来的许多研究表明，G-四链体与多数肿瘤的发生发展密切相关，因而它作为一类新型的潜在抗肿瘤靶点而受到越来越多的关注。高灵敏度、高选择性的识别特定结构的G-四链体对于肿瘤的早期预警和诊断具有很高的临床应用价值。基于此目的，本论文在发展新型的高特异性G-四链体检测策略方面，进行了一系列研究，主要研究结果包含以下四部分:　　 1.全新设计了一种能通过“二聚体双位点占据”结合模式特异性识别G-四链体的菁染料分子。　　 为突破传统的利用荧光单分子识别G-四链体的现状，发挥超分子聚集体在识别上的优势，通过对之前工作中所研究的菁染料进行结构改造，设计了多种结构不同的菁染料，进一步研究发现其中一种菁染料DMSB能够被G-四链体诱导为二聚体，通过多种实验手段解析了DMSB二聚体与G-四链体的结合模式，结果证明这是一种完全不同于传统的末端堆积或沟槽嵌入的新型的“二聚体双位点占据”结合模式，阐明了G-四链体诱导DMSB组装为二聚体的机理。随后对DMSB二聚体识别G-四链体能力的研究表明，相对于荧光单分子，DMSB的识别特异性得到很大提高。进而，将DMSB二聚体对G-四链体的识别能力应用于临床慢性白血病的检测，以基因组中G-四链体总体水平为靶标，对从健康与慢性白血病患者的外周血临床血样中提取的基因组DNA进行检测，结果发现该方法能够成功区分正常与白血病患者血液标本。相比于传统的分子诊断方法，这种基于菁染料探针的检测方法最显著的特点是操作简便、成本低廉，同时以外周血为检测对象，无须进行骨髓穿刺取血，更适合于白血病的大规模筛查，在肿瘤的早期预警方面有良好的应用前景。该部分工作内容已发表于《NucleicAcids Research》。　　 2.设计并研究了特定结构G-四链体诱导菁染料形成高级聚集体的机制。　　 为了进一步提高对G-四链体识别的特异性和灵敏度，在前面实现了G-四链体的二聚体识别的基础上，进一步设计并实现了将菁染料高级聚集体直接结合予G-四链体识别特定结构G-四链体的策略。首先通过联合使用滴定光谱、核磁、分子模拟等多种技术手段，阐明了具有椅式构象的G-四链体诱导菁染料以其为模板组装为高级聚集体的机制，发现具有椅式构象的反平行结构G-四链体对菁染料DMSB的聚集状态有双向调控作用，这种特定结构的G-四链体不仅能够“激活”DMSB的组装能力从而诱导其在该生物模板上的聚集组装，还能进一步将DMSB所形成的高级聚集体解聚为单体，这对进一步发展多功能、能灵活调控手性超分子聚集体组装的生物大分子模板的设计有重要的提示意义。该部分工作内容已发表于《Physical Chemistry Chemical Physics》。　　 3.首次实现了利用菁染料高聚集体对G-四链体的高灵敏、高特异性识别。　　 在上述工作基础上，继续探索了菁染料超分子聚集体识别特定结构G-四链体的能力，并对该方法进行了方法评估。结果表明，该方法不仅由于超分子聚集体直接结合于靶标G-四链体上使信号得到几何级的扩增而大大提高了检测灵敏度，而且由于聚集体的诱导依赖于较为苛刻的模板条件（模板构象、表面电荷性质及分布等）也大大提高了对G-四链体结构识别的特异性，研究表明只有特定的椅式构象的G-四链体DNA才能诱导DMSB高级聚集体的产生从而被检测。相比于传统的荧光单分子G-四链体检测方法，这种基于高级聚集体的识别方法的灵敏度和特异性都取得了较大提高，是G-四链体识别策略的一种全新突破。该部分工作内容已发表于《Analyst》。　　 4.揭示了侧翼序列在G-四链体与其配体结合过程中的作用。　　 由于侧翼序列是实际的生理环境中G-四链体结构必然存在的附属结构，对配体结合有重要的影响，但相关报道也较少，因此我们讨论了侧翼序列在G-四链体与其配体相互作用时所扮演的角色。系统的侧翼序列延长实验给出的结果提示我们侧翼序列很可能能够在末端G-平面上方形成一个回折式的“口袋”，分子动力学模拟结果显示，相比于暴露的末端G-平面，这个末端“口袋”的形成成为容纳配体分子的一个更好的结合位点。还进一步设计了序列突变实验，研究了结合口袋能稳定MTC的结合的原因。本章对侧翼序列结构功能的详细研究将有助于进一步理解G-四链体及其配体的相互作用机制，为今后筛选、设计亲合力更高、选择性更强的G-四链体配体奠定一定的工作基础。本部分工作内容已发表于《Chinese Science Bulletin》。