端粒是由重复的DNA和蛋白质组成的复合体，它们位于染色体末端，防止染色体被识别为DNA断裂，从而避免不适当的DNA损伤反应和染色体重排（Blackburn 2000; Blackburn et al. 2015; de Lange 2009; Kim et al. 1994; Smogorzewska and de Lange 2004; Vega et al. 2003）。在某些条件下，端粒会采用更高阶的t环结构，其中3′端的单链突出部分侵入双链端粒区域，形成类似领结的环状结构（Doksani et al. 2013a; Griffith et al. 1999）。这种结构被认为可以保护染色体末端免受末端连接和核酸酶的攻击（Celli et al. 2006; Ruis and Boulton 2021）。然而，克服高度稳定的端粒双链结构解旋能量障碍的具体分子机制尚未完全明了。
端粒重复序列相关RNA（TERRA）是一种从亚端粒区域转录的长链非编码RNA（Azzalin and Lingner 2008; Schoeftner and Blasco 2008）。TERRA可以与端粒DNA杂交形成RNA-DNA杂交体（R环），并参与端粒的维持和基因组稳定性（Barral and Déjardin 2020; Chu et al. 2017a; Graf et al. 2017）。体外研究表明，TERRA和端粒DNA可以形成RNA-DNA杂交体G-四链体（GQs），这种非典型的富含鸟嘌呤的结构通过Hoogsteen氢键得到稳定（Hänsel-Hertsch et al. 2017; Phan 2010; Xu et al. 2014）。这些观察结果表明，TERRA介导的杂交和GQ的形成可能有助于t环的组装，但其主导机制及其在细胞中的实际作用仍不清楚。
超分辨率荧光显微镜技术使得能够观察到超出衍射极限的端粒结构，通过结合肽核酸荧光原位杂交（PNA-FISH）或GQ特异性试剂与结构化照明显微镜（SIM）、受激发射衰减（STED）和单分子定位方法（STORM/PALM）等技术，可以在固定细胞中可视化t环和GQs（Doksani et al. 2013b; Sarek et al. 2019; Timashev and De Lange 2020; Yusoh et al. 2025; Zhang et al. 2019b）。然而，大多数研究依赖于固定样本和基于抗体或PNA的探针，这些探针需要渗透处理，限制了其在活细胞中动态监测高阶端粒结构的能力（Cordero et al. 2024; Sekine et al. 2025）。因此，需要开发能够快速进入细胞、高对比度检测端粒GQs的小分子探针，并可用于无需洗涤的活细胞超分辨率成像。
在本研究中，我们设计了一种环金属化铱(III)复合物cIr-Q作为端粒G-四链体/t环状态的荧光探针（图1）。cIr-Q具有较大的斯托克斯位移、高光稳定性以及快速的被动核转运能力，并在结合端粒GQ DNA时表现出强烈的荧光增强。通过核磁共振（NMR）和互补的生化实验，我们揭示了TERRA介导的途径：RNA与富含鸟嘌呤的链杂交后，该链会折叠形成GQs。随后我们将cIr-Q与超分辨率显微镜技术结合，用于观察细胞中的端粒结构，并在D-半乳糖诱导的衰老模型中应用该方法。我们的结果支持TERRA/R环对端粒GQ/t环结构调控的作用，确立了cIr-Q作为无需洗涤的活细胞端粒结构动态检测平台的有效性。
通过整合NMR光谱数据、使用GQ选择性化学探针以及进行超分辨率成像，我们的研究揭示了TERRA通过RNA-DNA杂交和随后的GQ形成促进t环形成的新机制。我们还发现了这些依赖于TERRA的端粒结构在细胞衰老过程中的显著重塑。我们的工作不仅阐明了一种由lncRNA驱动的新端粒调控机制，还引入了一种高效的GQ检测荧光探针。这种综合方法为未来研究端粒结构在衰老和端粒相关疾病中的动态变化提供了有价值的工具。
