《PLoS Genetics》：渐进性神经退行性疾病与R-loop相关

　　

生物通报道：目前，加州大学（UC）戴维斯分校的研究人员确定了引起渐进性神经退行性疾病——脆性X相关的震颤/共济失调综合征（FXTAS）——的遗传变异的一个新特征：“R-loops”的形成，他们认为R-loops可能与疾病的神经学症状，如震颤、缺乏平衡、帕金森症特征和认知下降有关。

本文资深作者、UC戴维斯分校神经治疗学研究所主任、生物化学和分子医学系教授Paul Hagerman表示，这一发现表明，R-loops可能是药物开发的潜在靶标。这一研究以“Transcription-associated R-loop Formation across the Human FMR1 CGG-repeat Region”为题，发表在2014年4月17日的国际著名杂志《PLoS Genetics》。

R-loop结构是生物体中发现的一种三链RNA-DNA杂合结构，包括两条RNA-DNA杂合链和一条以单链状态存在的DNA链。通常是新生RNA插入DNA双链中并与DNA模板链形成稳定的RNA-DNA杂合链，从而形成转录伴随的R-loop结构。R-loop的存在可能会阻碍基因的转录过程，以及诱发DNA双链断裂，从而影响基因组的稳定性。已知这种R-loop容易损坏，进而会导致细胞功能的损失，尤其是神经元。

Hagerman和他的同事们在调查引起FXTAS的基因突变和其他与脆性X智力迟钝基因1（FMR1）相关的疾病时，发现了R-loops。R-loops并不是FXTAS专有，在许多基因的启动子区域都会发生。

Hagerman称：“但是，与未发生突变的FMR1基因相比，在FXTAS中R-loops的数量更多，长度更长。”

Hagerman称，在FXTAS中，过多的CGG重复序列数和R-loops的长度具有相关性。他说：“R-loops越长，其被损坏的可能性就越大。”

就像其他基因一样，FMR1基因也是由腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和鸟嘌呤分子组成，通常被缩写为A、C、G、T。在一个FMR1突变基因的启动子区，三个一组的C-G-G分子重复次数过多。在不携带FMR1基因突变的健康个体中，C-G-G总重复数在6到45之间。而在携带FXTAS的患者中，C-G-G的重复数可以达到200个或更多。

FMR1 突变基因中C-G-G的重复数目过多，非常的鲜明，因此它们是确定患者是否患有FMR1突变引起的FXTAS或其他脆性X-相关疾病的遗传检测基础。

除了FXTAS，脆性X相关疾病还包括脆性X综合征——儿童智力残疾的最常见形式，和脆性X相关的原发性卵巢功能不全（FXPOI）。Hagerman称，在脆性X综合征中，C-C-G重复数可超过200。脆性X中的FMR1基因突变被视为“全突变”，而FXTAS和FXPOI中的突变被称为“前突变”。

他指出，虽然FMR1基因中CGG重复的数量高于正常值，具有FXTAS和脆性X综合征的特性，但他指出，这些疾病中被破坏的分子机制有所不同。

在脆性X综合征患者中，异常高的C-G-G重复数会关闭或沉默FMRI基因。在FXTAS中，C-G-G重复的显著减少，可促进其DNA的基因转录加速，触发过长R-loops的产生，这对于神经元是有毒的。（生物通：王英）

延伸阅读：Science：解析神经退行性疾病的遗传学基础

生物通推荐原文摘要：
Transcription-Associated R-Loop Formation across the Human FMR1 CGG-Repeat Region
Abstract: Expansion of a trinucleotide (CGG) repeat element within the 5′ untranslated region (5′UTR) of the human FMR1 gene is responsible for a number of heritable disorders operating through distinct pathogenic mechanisms: gene silencing for fragile X syndrome (>200 CGG) and RNA toxic gain-of-function for FXTAS (~55–200 CGG). Existing models have focused almost exclusively on post-transcriptional mechanisms, but co-transcriptional processes could also contribute to the molecular dysfunction of FMR1. We have observed that transcription through the GC-rich FMR1 5′UTR region favors R-loop formation, with the nascent (G-rich) RNA forming a stable RNA:DNA hybrid with the template DNA strand, thereby displacing the non-template DNA strand. Using DNA:RNA (hybrid) immunoprecipitation (DRIP) of genomic DNA from cultured human dermal fibroblasts with both normal (~30 CGG repeats) and premutation (55<CGG<200 repeats) alleles, we provide evidence for FMR1 R-loop formation in human genomic DNA. Using a doxycycline (DOX)-inducible episomal system in which both the CGG-repeat and transcription frequency can be varied, we further show that R-loop formation increases with higher expression levels. Finally, non-denaturing bisulfite mapping of the displaced single-stranded DNA confirmed R-loop formation at the endogenous FMR1 locus and further indicated that R-loops formed over CGG repeats may be prone to structural complexities, including hairpin formation, not commonly associated with other R-loops. These observations introduce a new molecular feature of the FMR1 gene that is directly affected by CGG-repeat expansion and is likely to be involved in the associated cellular dysfunction.