R环是三链核酸结构,主要在转录过程中由新生RNA转录本与模板DNA链杂交形成。这导致RNA:DNA杂合体的生成,并使非模板DNA链以单链环状形式被置换出来。生化重建1,2,3,4 和数学建模5,结合其他生物物理测量方法6,7已证实,R环更易出现在具有特定有利特征的区域。例如,当鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)在两条链上的分布呈现链不对称性,使得转录出的RNA富含G(即具有正向GC偏倚)时,该区域在转录过程中更倾向于形成R环,这是因为DNA:RNA杂交链相较于DNA双链具有更高的热力学稳定性。8已进化出正向GC偏斜的区域,例如许多真核基因的起始部分4,9,10,11容易形成R-loop 体外 和 体内3,4,12负性DNA超螺旋张力也有利于结构的形成13,14 因为R环能有效吸收此类拓扑应力,并使周围的DNA纤维恢复至有利的松弛状态5,15.
传统上,R环结构被认为是在转录过程中RNA与DNA偶然自发缠绕而形成的。然而,DNA:RNA免疫沉淀技术(DRIP)与高通量DNA测序(DRIP-seq)的结合应用实现了对R环的首次全基因组范围定位,揭示这类结构在人类细胞中的普遍存在程度远超预期4,16。在哺乳动物基因组中,R环出现在数以万计保守且可转录的基因热点区域,尤其倾向于位于基因第一个内含子重叠的GC偏斜CpG岛以及众多基因的末端区域17。总体而言,在人类细胞中,R环共同占据了基因组的3%–5%,这一比例与其他生物(包括酵母、植物、果蝇和小鼠)中的测量结果一致18,19,20,21,22。
对人类细胞中R-loop形成热点区域的分析表明,这些区域与特定的染色质特征相关23。总体而言,R-loop存在于核小体占据度较低且RNA聚合酶密度较高的区域。在启动子区域,R-loop与两种共转录沉积的组蛋白修饰H3K4me1和H3K36me3的募集增加相关17。在基因末端,R-loop与紧密排列且能高效完成转录终止的基因相关17,这与先前的观察结果一致24。研究还表明,R-loop参与了噬菌体、质粒、线粒体以及酵母基因组复制起始位点的DNA复制起始过程25,26,27,28,29,30,31。此外,76%倾向于形成R-loop的人类CpG岛启动子可作为早期且组成型的复制起始位点32,33,34,35,进一步加强了R-loop与复制起始位点之间的关联。综上所述,这些研究提示R-loop代表了一类新型的生物信号,能够以依赖于上下文的方式触发特定的生物学效应23。
早期研究表明,在免疫球蛋白类别转换重组过程中,R环可在类别转换序列处形成3,36,37。这类程序性R环被认为可通过引入双链DNA断裂来启动类别转换重组38。此后,有害R环的形成(通常理解为R环过度积累所致)被发现与基因组不稳定性以及高频重组、转录-复制碰撞、复制障碍和转录应激等过程相关(综述见39,40,41,42,43)。因此,改进R环结构的定位技术,成为深入解析这些结构在健康与疾病状态下分布及功能的一项重要而迫切的挑战。
DNA:RNA 免疫沉淀(DRIP)依赖于 S9.6 单克隆抗体对 DNA:RNA 杂交体的高亲和力44。DRIP-seq 可实现 R-loop 形成的稳健全基因组分析4,45。尽管该技术具有实用性,但由于使用限制性内切酶进行温和的 DNA 片段化,其分辨率有限。此外,DRIP-seq 无法提供 R-loop 形成方向性的信息。本文中,我们报道了一种 DRIP-seq 的改进方法,可在链特异性基础上以高分辨率定位 R-loop。该方法在免疫沉淀前采用超声处理对基因组进行片段化,因此称为 sDRIP-seq(超声处理偶联高通量测序的 DNA:RNA 免疫沉淀)(图 1)。超声处理的使用提高了分辨率,并减少了 DRIP-seq 方法中由限制性内切酶引起的片段化偏差46。sDRIP-seq 生成的 R-loop 图谱与 DRIP-seq 结果以及先前报道的高分辨率 DRIPc-seq 方法结果高度一致,后者通过对免疫沉淀获得的 R-loop 结构中的 RNA 链构建测序文库来实现分析45。
面对众多可选方法,用户可能会疑惑哪种基于DRIP的方法更符合自身需求。我们提供以下建议。DRIP-seq尽管存在局限性,但在技术上最容易操作,且是本文讨论的三种方法中最为稳健(产量最高)的一种,因此仍具有广泛的应用价值。目前已发表大量DRIP-seq数据集,可为新数据提供有用的比较基准。此外,由于数据无链特异性,其生物信息学分析流程更为简单。建议新用户首先通过DRIP结合定量聚合酶链式反应(qPCR)以及DRIP-seq来逐步掌握R-loop定位技术。sDRIP-seq的技术难度略高:由于超声处理(见下文)导致产量略有降低,且测序文库构建过程稍复杂。然而,其所获得的链特异性和更高分辨率具有重要价值。需注意的是,sDRIP-seq可同时捕获双链RNA:DNA杂交体和三链R-loop结构。而由于文库构建步骤的限制,DRIP-seq无法捕获双链RNA:DNA杂交体。DRIPc-seq技术要求最高,且需要更多的起始材料。作为回报,它提供了最高的分辨率和链特异性。由于测序文库来源于R-loop或杂交体中的RNA部分,DRIPc-seq可能受到RNA污染的干扰,尤其是因为S9.6抗体对双链RNA(dsRNA)具有残余亲和力19,47,48。相比之下,sDRIP-seq的测序文库源自DNA链,因此可在无需担忧RNA污染的前提下实现链特异性和高分辨率定位。总体而言,这三种方法均具有应用价值,各自在复杂程度和技术注意事项方面略有不同。然而,三者所产生的数据集高度一致48,且均对RNase H预处理高度敏感,后者是确保信号特异性的关键对照45,49。需要注意的是,由于测序文库构建过程中存在片段大小筛选,一些较小的杂交体(估计<75 bp),例如在滞后链DNA复制引发位点(冈崎引物)周围短暂形成的杂交体,将被排除在外。同样,由于所有DRIP方法均涉及DNA片段化,那些依赖负超螺旋结构维持稳定的不稳定的R-loop也将丢失5。因此,DRIP类方法可能低估R-loop的丰度,特别是对于短小且不稳定的R-loop,这类结构可能更适合通过in vivo方法进行捕获45,48。值得注意的是,R-loop也可在单DNA分子水平上,通过亚硫酸氢钠处理后,以不依赖S9.6抗体的方式,在深度测序、高分辨率及链特异性条件下进行分析12。此外,已有研究采用催化失活的RNase H1酶策略,在in vivo条件下定位天然R-loop,揭示了主要在暂停启动子区域形成的短小而不稳定的R-loop50,51,52。