R-loop CUT&Tag系列文章之一：R-loop概览——结构、形成、分布、调控因子及病理生理功能

1976年，Thomas等首次通过电子显微镜观察到了R-loop结构。R-loop，又称R环，是含有DNA-RNA双链和被置换的DNA单链组成的特殊三链核酸结构。

R-Loop结构示意图

R-loop可通过顺式（cis）和反式（trans）形成，顺式R环是当RNA聚合酶转录时，新生RNA退火至RNAPII后面的DNA模板链上；反式R环是由RNA和远处的DNA链杂交形成，例如基于非编码RNA (non-coding RNA，ncRNA)和向导RNA（gRNA） 的R-loop。

R-loop可通过顺式或反式形成

R-loop最初被认为是是罕见的转录副产物，目前发现存在于各种基因组中，例如细菌、酵母、高等植物和人类细胞等。在各种基因组中，R-loop的分布非常广泛。

R-loop在与反义转录相关的基因处富集明显，可直接促进反义表达。在酵母、人类细胞和植物中，R-loop主要富集在重复序列、启动子区域和一些特定的基因区域，如转座元件、核糖体DNA、着丝点和端粒等。在人类和植物中，R-loop在含有CpG岛（CGIs）的启动子区域显著富集。CGIs存在于大约60%的人类基因的启动子中，特点之一是存在GC skew。高GC skew与基因的高表达和R-loop富集相关。同时，R-loop的分布还受到DNA二级结构，例如G4联体（G-quadruplexes，G4s）等因素的影响，可能有助于提升R-loop的稳定性。此外，R-loop还富集于转录-复制碰撞区域。RNA-DNA 杂交体（或R环）在 DNA 损伤部位形成，特别是在 DNA 双链断裂至（DSB）处，通过招募乳腺癌易感蛋白1（BRCA1）促进同源定向修复。

R-loop在基因组的分布情况

对于共转录R-loop来说，其主要存在于转录起始位点（TSS）附近的RNA聚合酶 II（Pol II）暂停位点、基因体中具有高GC skew的序列以及转录终止位点（TTS）。

R-loop在基因组的分布情况

随着研究的深入，越来越多的R-loop调控因子被发现。参与R-loop调控的因子包括染色质修饰因子、解旋酶/移位酶、拓扑异构酶、复制/修复因子、RNA加工因子、RNA Writers&Readers、终止因子、核糖核酸酶等。

R-loop调控因子举例

R-loopBase将PubMed中的文献数据进行整理，构建了R-loop调控因子列表，并通过PPI网络分析和GO富集分析揭示生物过程。

R-loop调控蛋白的PPI网络和GO富集分析示例图

根据R-loop的作用，可将其大致分为生理性或“调节性”的R-loop和病理性或“非计划性”R-loop。调节性R-loop与基因调节和基因组稳定性相关，通过调节转录活性、复制、重组、着丝粒功能和DNA编辑等来调节基因活性。同时，调节性R-loop还通过促进修复DNA双链断裂（DSB）和短端粒结构来稳定基因组。如果未及时去除或未防止不需要的R-loop积累，则会导致非计划性R-loop的形成。非计划性R-loop是异常基因调控的来源，可导致基因组的不稳定，例如诱导DNA损伤。

调节性和非计划性R-loop的功能

研究表明R-loop与多种疾病之间存在直接联系，可能为相关疾病的治疗提供新的靶点和策略。R-loop相关的疾病包括癌症，例如乳腺癌和卵巢癌；神经系统疾病，如Friedreich共济失调（FRDA）和脆性X综合征（FXS）；自身免疫性疾病，如Aicardi-Goutieres综合征等。与R-loop相关的部分疾病如下表所示。

参考文献：

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