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本综述聚焦 RNA-DNA 相互作用（如 R 环、RNA-DNA 三链体、RNA-DNA 杂交 G - 四联体 hG4s），探讨其在基因表达、染色质动态、基因组稳定性中的作用，及与癌症、神经退行性疾病关联，展望其在治疗和生物技术中的潜力。
RNA-DNA 相互作用是细胞生理学的基础，在基因组完整性、基因表达和应激反应中发挥关键作用。其包含多种结构形式，以下是对不同结构及相关内容的详细阐述。
不同类型的 RNA-DNA 相互作用
RNA-DNA 相互作用作为细胞过程的基本调控元件，正逐渐被揭示其重要性。从 19 世纪 DNA 的发现，到 20 世纪 DNA 双螺旋结构等一系列突破性发现，再到 R 环等结构的识别以及计算工具的应用，人们对 RNA-DNA 相互作用的理解不断深入。目前已知的相互作用结构形式多样，包括 R 环、RNA-DNA 杂交 G - 四联体（hG4s）和 RNA-DNA 三链体等，这些元素在转录、染色质重塑、DNA 修复和端粒维持等过程中至关重要。
R 环
R 环是研究最多的 RNA-DNA 相互作用形式之一，是由 RNA-DNA 杂交链和置换的单链 DNA 组成的三链核酸结构，在从细菌到人类的许多生物体中均有发现。它在基因表达调控中具有双重作用，一方面可导致转录沉默和抑制性染色质标记的诱导，从而损害基因表达；另一方面，也可作为转录激活因子，如在波形蛋白基因座所示。然而，若调控不当，R 环会导致基因组不稳定，引发 DNA 损伤，并与癌症和神经退行性疾病等相关。R 环的动态形成和分辨率受到多种蛋白质的严格控制，如 RNA 结合蛋白、解旋酶、拓扑异构酶、核酸酶和染色质修饰剂等。例如，RNase H 通过切割 RNA-DNA 杂交体中的 RNA 磷酸二酯键来分解 R 环，同时使 RNA-DNA 三链体中的 RNA 保持完整。
在转录和复制过程中，R 环会动态形成。转录时，RNA 聚合酶 II（Pol II）在转录泡内短暂形成 RNA-DNA 杂交体，Pol II 核心酶、新生 RNA 和 dsDNA 形成三元延伸复合物（TEC），新生 RNA 从杂交体上游脱离并通过特定的 RNA 出口通道释放。当新生 RNA 包装成信使核糖核蛋白颗粒（mRNPs）的过程受到干扰时，会形成额外的共转录 R 环。Pol II 的回溯等动态变化会加剧 R 环积累，增加转录 - 复制冲突（TRCs）和 DNA 损伤的风险。细胞通过关键酶的作用来调节 R 环的分辨率，如螺旋酶 senataxin（SETX）、BLM RecQ Like Helicase（BLM）等，这些过程的功能障碍与转录干扰、复制叉停滞以及人类疾病如神经退行性变和 Aicardi-Goutières 综合征（AGS）有关。
在滞后链复制过程中，RNA-DNA 杂交体也至关重要。Pol α-primase 复合物合成的短 RNA 引物在冈崎片段处启动复制，随后 Pol α 用短 DNA 序列延伸这些引物，之后 DNA 聚合酶 δ 接管并不连续地合成 DNA，最后由 Flap 结构特异性核酸内切酶 1 和 RNase H2 去除 RNA 引物，DNA 连接酶 1 连接片段形成连续链。由于核内核糖核苷酸三磷酸的丰度高于脱氧核苷酸三磷酸，复制性 DNA 聚合酶可能会错误地将核糖核苷酸而非脱氧核苷酸掺入，从而形成 RNA-DNA 杂交体，RNase H2 通过核糖核苷酸切除修复来去除这些错误掺入的核糖核苷酸，其缺失在小鼠中是致命的，并与基因组不稳定和疾病相关。
R 环在细胞生理学中具有多种功能。例如，具有长 5′- 非翻译区（UTRs）的 RNA 容易形成 R 环，人类脆性 X 智力低下 1 基因（FMR1）的 5′UTR 中的 CGG 重复元件与多种遗传性疾病的发病机制有关，其 R 环的长度和复杂性会随着转录的上调和 CGG 重复的扩增而增加。剪接因子 3b 亚基 1（SF3B1）的突变会导致红系细胞 5’UTR 处的 R 环显著丢失，同时伴随剪接缺陷，如内含子保留减少，这与骨髓增生异常综合征（MDS）相关。长链非编码 RNA（lncRNA）也可生成具有调节作用的 R 环，如反义 lncRNA TARID 能在 TCF21 启动子处生成 R 环，招募 DNA 去甲基化因子 Ten-Eleven translocation 1（TET1），导致 TCF21 启动子的 DNA 去甲基化和 TCF21 转录的激活。端粒处也可形成 R 环，端粒通过端粒酶等保护染色体末端，lncRNA 端粒重复序列 RNA（TERRA）与端粒维持和 R 环形成有关，但过度的 R 环形成会导致复制压力、染色体不稳定和端粒丢失，RNA 结合基序蛋白 14（RBM14）等蛋白质可调节 TERRA 相关的 R 环。R 环还与核糖体 RNA（rRNA）转录和核仁稳态有关，SETX 水平的降低会导致修复因子复制蛋白的增加，影响 rRNA 基因，SETX 突变与神经系统疾病和癌症相关。此外，环状 RNA（circRNAs）在某些条件下也可形成 R 环，如 circSMARCA5 可与其亲本基因形成 R 环，抑制 SMARCA5 的表达并降低 MCF-7 细胞的 DNA 修复能力。可变 RNA 剪接是由剪接因子驱动的机制，肿瘤抑制因子 MEN1 可诱导 Pol II 延伸减慢，防止外显子跳跃和 R 环积累，从而限制相关的 DNA 损伤和基因组不稳定。
RNA-DNA 三链体和 RNA-DNA 杂交 G - 四联体
除了 R 环，RNA-DNA 三链体和 RNA-DNA 杂交 G - 四联体等更复杂的结构在调节基因表达和维持基因组完整性方面的作用也日益受到认可。RNA-DNA 三链体通过 Hoogsteen 碱基配对由 RNA 与双链 DNA 的大沟进行序列特异性结合，主要参与基因调控，可结合转录因子和染色质修饰复合物来靶向基因，影响其转录结果。例如，lncRNA FENDRR 与 Foxf1 和 Pitx2 等基因的启动子区域形成 RNA-DNA 三链体，招募多梳抑制复合物 2（PRC2），导致表观遗传抑制和转录沉默，对心脏和肺的正常发育至关重要。lncRNA 缺氧诱导因子 - 1α- 反义 1（HIF1α-AS1）在促血管生成基因 EPHA2 的启动子区域形成 RNA-DNA 三链体，招募人类沉默枢纽（HUSH）复合物成员 MPP8 和组蛋白甲基转移酶 SETDB1，导致 H3K9me3 介导的异染色质形成和转录抑制，与多种疾病相关。SARRAH 是一种在心脏健康中起关键作用的 lncRNA，与特定的心脏基因位点形成 RNA-DNA 三链体，招募转录共激活因子 p300 和富含半胱氨酸的蛋白质 2，促进心肌细胞存活、增强收缩力并减少细胞凋亡。lncRNA KCNQ1OT1 与重复 DNA 元件形成 RNA-DNA 三链体，通过 DNA 甲基化和 H3K9me3 标记引导表观遗传沉默，维持基因组稳定性和防止细胞衰老。lncRNA MEG3 在 TGF-β 通路相关基因的启动子区域形成 RNA-DNA 三链体，招募 PRC2 和其他染色质修饰剂，诱导 H3K27me3 和转录抑制。此外，还有多种 lncRNA 如 GAU1、REG1CP、CISAL 等在癌症等疾病中通过形成 RNA-DNA 三链体发挥作用。
RNA-DNA 杂交 G - 四联体（hG4s）由来自非模板 DNA 链和 RNA 转录物的鸟嘌呤序列组成，在转录起始位点（TSS）附近和端粒处均有发现。在转录过程中，可能先形成共转录 R 环，随后形成 hG4s，其可促进转录终止或导致基因抑制。在端粒处，hG4s 可能通过保护端粒 DNA 突出端的 3′端，对维持染色体完整性和端粒酶等的相互作用至关重要，研究表明其在活细胞中具有保护作用，可增加细胞的复制能力并减少细胞衰老。然而，关于 hG4s 的组织特异性作用、机制机会以及生理和病理重要性仍需更多研究。
结论与展望
RNA-DNA 相互作用在基因调控、转录、染色质重塑和基因组稳定性等细胞过程中的作用日益明确，其在治疗、生物技术和基础研究中的潜在应用也越来越明显。在药物发现方面，通过精确操纵这些相互作用，可开发针对多种疾病的新型治疗策略，如设计稳定或破坏 R 环的化合物来激活肿瘤抑制基因或沉默癌基因，靶向 hG4s 的合成化合物可能作为替代端粒稳定剂。RNA-DNA 相互作用还可作为生物标志物，用于疾病的诊断、监测和治疗效果评估，在生物技术中可用于生物传感器开发和基因工程技术的优化，如 CRISPR/Cas 系统。从基础研究角度，理解 RNA-DNA 相互作用有助于揭示基因调控网络的新层次，了解 RNA-DNA 杂交体对细胞核中染色质空间排列的贡献，改进预测活细胞中 RNA-DNA 相互作用的生物信息学工具也至关重要。总之，RNA-DNA 相互作用是一个充满潜力的研究领域，跨学科的持续研究将不仅加深我们的生物学知识，还将为医学、生物技术和基础科学带来突破性的应用。
