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R-loop：DNA-RNA杂交体的特殊三链核酸结构揭秘

1976年，Thomas等科学家首次利用电子显微镜这一精密工具，成功观测到了R-loop这一独特的核酸结构。R-loop，亦称R环，是一种由DNA-RNA双链与被置换出的DNA单链共同构成的特殊三链核酸结构，其独特之处引起了科学界的广泛关注。

R-Loop结构示意图

 

R-loop的形成机制：顺式与反式之路

R-loop的形成并非单一途径，而是可以通过顺式（cis）和反式（trans）两种方式实现。在顺式形成过程中，当RNA聚合酶（RNAPII）进行转录时，新生成的RNA链会与RNAPII后方的DNA模板链发生退火，从而形成DNA-RNA杂交链，进而构成顺式R环。而反式R环的形成则更为复杂，它涉及RNA与远离转录位点的DNA链的杂交。这种杂交可能基于非编码RNA（non-coding RNA，ncRNA）或向导RNA（gRNA）的介导，通过它们与特定DNA序列的互补配对，形成反式R-loop结构。这两种形成机制共同揭示了R-loop在生物体内的多样性和复杂性。

 

R-loop可通过顺式或反式形成

R-loop的广泛分布与基因组特性

R-loop，这一曾被视为罕见转录副产物的结构，现已被证实广泛存在于各类基因组中，包括细菌、酵母、高等植物及人类细胞等。在基因组的不同区域，R-loop的分布呈现出特定的规律。

在与反义转录相关的基因处，R-loop的富集尤为明显，这一特性直接促进了反义表达的发生。在酵母、人类细胞和植物中，R-loop主要聚集在重复序列、启动子区域以及特定的基因区域，如转座元件、核糖体DNA、着丝点和端粒等。特别是在人类和植物中，R-loop在含有CpG岛（CGIs）的启动子区域显著富集。CpG岛是人类基因启动子中约60%所存在的特征区域，其特点之一是GC skew（GC偏斜）的存在。有趣的是，高GC skew不仅与基因的高表达水平相关，还与R-loop的富集程度密切相关。

此外，R-loop的分布还受到DNA二级结构的影响，如G4联体（G-quadruplexes，G4s）等，这些结构可能有助于提升R-loop的稳定性。值得注意的是，R-loop还常在转录与复制碰撞的区域富集。在这些区域，RNA-DNA杂交体（或R环）可能在DNA损伤部位形成，特别是在DNA双链断裂（DSB）处。这些杂交体能够招募乳腺癌易感蛋白1（BRCA1）等修复因子，从而促进同源定向修复过程的发生。

综上所述，R-loop在基因组中的广泛分布及其与特定区域和结构的关联，揭示了其在生物体内可能发挥的重要功能和作用。

 

R-loop在基因组的分布情况

共转录R-loop，这一特殊的核酸结构，在基因组中的分布并非随机，而是有其特定的规律。它们主要存在于三个关键区域：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（GC偏斜）的序列，以及转录终止位点（TTS）。

R-loop在基因组的分布情况

R-loop调控因子的多样性与复杂性

随着科学研究的不断推进，R-loop这一特殊核酸结构的调控机制逐渐浮出水面。越来越多的调控因子被发现参与到R-loop的调控过程中，形成了一个庞大而复杂的调控网络。这些调控因子涵盖了多种类型，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（RNA写入与读取因子）、终止因子以及核糖核酸酶等。每一类因子都在R-loop的调控过程中发挥着不可或缺的作用。

染色质修饰因子通过改变染色质的构象和稳定性，影响R-loop的形成和维持。解旋酶/移位酶则能够解开或移动R-loop中的DNA-RNA杂交链，从而调控R-loop的动态变化。拓扑异构酶则通过改变DNA的拓扑结构，进一步影响R-loop的结构和功能。

复制/修复因子在R-loop调控中也扮演着重要角色。它们能够识别并修复R-loop可能导致的DNA损伤，确保基因组的稳定性和完整性。RNA加工因子则参与R-loop中RNA链的修饰和加工过程，进一步调控R-loop的功能和活性。此外，RNA Writers&Readers作为一类特殊的调控因子，能够通过与R-loop中的RNA链相互作用，读取或写入特定的遗传信息，从而调控R-loop在基因表达调控中的功能。终止因子则负责在转录终止阶段调控R-loop的解离和消失，确保转录过程的正常进行。

最后，核糖核酸酶作为一类能够降解RNA的酶类，也在R-loop的调控过程中发挥着重要作用。它们能够降解R-loop中的RNA链，从而调控R-loop的稳定性和活性。

综上所述，R-loop调控因子的多样性和复杂性为深入研究R-loop的功能和作用提供了丰富的线索和可能性。

R-loop调控因子举例

R-loop的生理与病理功能解析

R-loop，这一独特的核酸结构，在生物体内扮演着双重角色：既是生理性的“调节者”，又可能成为病理性的“破坏者”。

生理性或“调节性”的R-loop，如同基因组的守护者，积极参与基因调节和基因组稳定性的维护。它们通过精细调控转录活性、复制、重组以及着丝粒功能等关键过程，确保基因活性的正常表达。此外，调节性R-loop还能促进DNA双链断裂（DSB）的修复和短端粒结构的稳定，进一步巩固基因组的稳定性。

然而，当R-loop的生成与清除失衡，或未能及时防止其不必要积累时，非计划性R-loop便应运而生。这些异常形成的R-loop成为基因调控的干扰源，可能导致基因组的不稳定。它们能够诱导DNA损伤，破坏基因组的完整性，进而引发一系列病理过程。

综上所述，R-loop的生理与病理功能揭示了其在生物体内复杂而微妙的角色。作为研究者，我们需要更加深入地了解R-loop的调控机制，以探索其在疾病发生和发展中的潜在作用，为未来的疾病治疗和预防提供新的思路和方法。

调节性和非计划性R-loop的功能

研究表明，R-loop与多种疾病有直接关联，为治疗提供了新视角。这些疾病涵盖癌症（如乳腺癌、卵巢癌）、神经系统疾病（如Friedreich共济失调、脆性X综合征）以及自身免疫性疾病（如Aicardi-Goutieres综合征）。R-loop或成为治疗这些疾病的新靶点。

 

名称	货号	规格
CUT&Tag Assay Kit	77552S	1Kit
CUT&Tag PCR Master Mix	63228S	840μl
CUT&Tag pAG-Tn5 (Loaded)	79561S	100μl