探秘 R 环、转录与染色质的交互奥秘：解锁基因组稳定与疾病调控密码

在生命科学领域，R 环（R-loops）、转录和染色质之间的关系尚不明确。研究人员开展了 R 环与转录、染色质相互作用的研究，发现它们相互影响，且在疾病中发生改变。这为理解基因组稳定性和疾病机制提供依据，助力相关疾病治疗研究。

　　在生命的微观世界里，基因的表达调控如同精密的交响乐，而 R 环（R-loops）、转录和染色质则是这场交响乐中至关重要的演奏者。R 环作为一种特殊的三链核酸结构，在转录过程中自然形成，然而其与转录、染色质之间复杂的相互作用，以及在维持基因组稳定性和疾病发生发展中的角色，一直是科学家们渴望揭开的谜团。此前，虽然对 R 环的基本形成机制有了一定了解，但对于不同类型 R 环在各种生物学过程中的具体作用、精准调控方式，以及它们在疾病状态下的变化规律，仍存在诸多未知。这就如同在黑暗中摸索，科学家们急切地需要一盏明灯，照亮这些未知的领域。为了深入探索这些奥秘，研究人员踏上了这场充满挑战的科研之旅。他们的研究成果发表在《DNA Repair》杂志上，为生命科学领域带来了新的曙光。

研究人员主要运用了 DNA-RNA 免疫沉淀测序（DRIP-seq）和标记的 RNaseH1 染色质免疫沉淀（R-ChIP）等关键技术。DRIP-seq 能够在全基因组范围内详细绘制 R 环图谱，让研究人员直观地了解 R 环在基因组中的分布情况；R-ChIP 则有助于精确检测特定区域的 R 环，为深入探究 R 环的功能提供了有力支持 。

一、R 环在转录过程中的作用

1. 启动子 R 环：研究发现，启动子 R 环在 GC 偏斜的 CpG 岛启动子下游及转录起始位点（TSS）附近富集。其形成与 RNA 聚合酶 II（RNAPII）的暂停和启动子附近序列的 GC 偏斜有关。启动子 R 环对转录具有双重影响，一方面它可对抗 DNA 甲基化，维持转录活性，如肌萎缩侧索硬化 4 型（ALS4）患者中，SETX 突变导致启动子 R 环减少，进而影响基因表达和信号通路；另一方面，它也能促进转录终止，同时还可能影响共转录前体 mRNA 剪接。此外，在一些病理条件下，启动子 R 环会失调，像缺乏肿瘤抑制蛋白 BRCA2 的细胞中，启动子 R 环会增加，导致基因组不稳定。
2. 基因体 R 环：当 RNAPII 在基因体中延伸时，会因负超螺旋、RNAPII 的暂停和回溯等因素形成基因体 R 环。多种蛋白和复合物参与调控基因体 R 环的形成，如拓扑异构酶 I（TOP1）、THO/TREX 和 TREX - 2 复合物等。基因体 R 环会减缓转录速度，还能促进反义长链非编码 RNA（lncRNA）的生成，影响基因表达，例如 VIM 基因的表达受其反义 RNA 形成的 R 环调控。
3. 3’端 R 环：R 环在转录终止过程中发挥关键作用，它能促使 RNAPII 在基因 3’端暂停。以人类 β - 肌动蛋白基因为例，R 环形成后，SETX 将其解旋，招募外切核酸酶 XRN2 降解新生 RNA，从而促进转录终止。同时，R 环还可通过诱导异染色质形成来增强 RNAPII 的暂停。不过，在一些病理情况下，如 BRCA1 缺陷细胞和 TOP1 缺失细胞中，3’端 R 环会失调，导致基因组不稳定。此外，转录通读也会产生下游基因（DoG）R 环，其在癌症中普遍存在，可能导致癌细胞转录组失衡。

二、非编码 RNA 形成的 R 环

1. 端粒 R 环：端粒是染色体末端的特殊结构，TERRA 作为非编码 RNA，可与端粒 DNA 形成 R 环。端粒 R 环能将 TERRA 锚定在端粒上，但也会导致端粒脆弱。其水平受 ATRX、FANCM 和 BRCA1 等多种因素精细调控。在癌细胞中，ATRX 突变会使端粒 R 环增加，促进端粒延长；而 FANCM 缺失则会导致端粒 R 环大量积累，引发 DNA 损伤。
2. 着丝粒 R 环：着丝粒区域转录产生着丝粒 RNA（cenRNAs）并形成 R 环。着丝粒 R 环在维持着丝粒凝聚力、激活 ATR 激酶等方面发挥重要作用，但也可能威胁基因组稳定性。BRCA1 和 DNA 甲基转移酶 DNMT3b 可抑制着丝粒 R 环的形成，防止着丝粒不稳定。
3. rDNA 和 tRNA 基因 R 环：人类核糖体 DNA（rDNA）重复序列高度转录，易形成 R 环。rDNA R 环可招募单链 DNA 结合蛋白 RPA，保护 rDNA 免受损伤，同时 RNAPII 和 SETX 可在 rRNA 基因间形成反义 R 环，维持核仁结构和 rRNA 表达。在人类细胞中，tRNA 基因也能形成 R 环，其功能尚待进一步明确，不过在酵母和植物中，tRNA R 环已被证明会影响基因表达。
4. 转座元件 R 环：转座元件（TEs）在基因组中广泛存在，部分 LINE - 1 元件在癌症中异常激活。R 环抑制因子可限制 LINE - 1 逆转录转座，而在人类多能干细胞（hPSCs）中，R 环与 ERV1 激活可能存在关联。此外，病毒模拟疗法旨在激活癌细胞中的逆转录转座子，但 R 环在此过程中的作用尚不明确。
5. 三核苷酸及其他重复序列 R 环：人类基因组中三核苷酸重复序列的扩增与多种疾病相关，如 Friedreich 共济失调（FRDA）和脆性 X 综合征（FXS）。这些重复序列易形成 R 环，导致基因沉默和疾病发生。在酵母中，R 环可引发三核苷酸重复序列的不稳定，通过碱基切除修复（BER）导致重复序列断裂、收缩或缺失。除三核苷酸重复序列外，R 环还会影响更长重复序列的稳定性，如肌萎缩侧索硬化（ALS）中的六核苷酸重复序列扩增。

三、R 环与染色质的相互作用

1. 活跃基因处的 R 环与染色质：不同位置的 R 环与特定的染色质标记相关，启动子 R 环与开放染色质标记相关，基因体 R 环与转录延伸标记相关，转录终止子 R 环与特定的染色质状态相关。正常水平的 R 环对转录相关染色质状态影响较小，但在某些情况下，R 环可调节染色质，影响转录。在癌细胞中，染色质结构改变会导致 R 环失调，引发基因组不稳定和 DNA 损伤，如 SMARC4 突变和 EWS - FLI1 融合蛋白表达都会使 R 环积累。此外，抑制 BRD4 可增加癌细胞中的 R 环，诱导细胞死亡，为癌症治疗提供了新的思路。
2. R 环与异染色质：部分 R 环存在于异染色质区域，如端粒和着丝粒。在 ALT 阳性癌细胞中，TERRA 可促进端粒异染色质形成，但也能抑制亚端粒区域的异染色质。在果蝇和小鼠胚胎干细胞中，R 环可帮助定位多梳复合物，建立异染色质，沉默相关基因，如 antisense R - loops 可促进 PRC2 在特定基因上的结合和 H3K27me3 积累，抑制肿瘤抑制基因 RASSF1 的表达 。

综上所述，研究人员通过一系列研究，深入揭示了 R 环、转录和染色质之间复杂而紧密的相互作用关系。这些发现对于理解基因组稳定性的维持机制、疾病的发生发展过程具有重要意义，为开发针对相关疾病的治疗策略提供了理论基础和潜在靶点。未来，随着研究的不断深入，有望进一步探索 R 环在更多生物学过程中的作用，为生命科学领域带来更多突破。