R-Schleifen sind dreisträngige Nukleinsäurestrukturen, die sich hauptsächlich während der Transkription bilden, wenn das entstehende RNA-Transkript mit dem Matrizen-DNA-Strang hybridisiert wird. Dies führt zur Bildung eines RNA:DNA-Hybrids und bewirkt die Verschiebung des Nicht-Template-DNA-Strangs in einen einzelsträngigen geloopten Zustand. Die biochemische Rekonstitution 1,2,3,4 und die mathematische Modellierung5 in Kombination mit anderen biophysikalischen Messungen 6,7 haben gezeigt, dass R-Schleifen mit größerer Wahrscheinlichkeit über Regionen auftreten, die spezifische günstige Eigenschaften aufweisen. Zum Beispiel werden Regionen, die eine Strangasymmetrie in der Verteilung von Guaninen (G) und Cytosinen (C) aufweisen, so dass die RNA G-reich ist, eine Eigenschaft, die als positiver GC-Skew bezeichnet wird, aufgrund der höheren thermodynamischen Stabilität des DNA:RNA-Hybriden im Vergleich zum DNA-Duplex bei der Transkription bevorzugt8. Regionen, die eine positive GC-Verzerrung entwickelt haben, wie z. B. die frühen Teile vieler eukaryotischer Gene 4,9,10,11, neigen dazu, in vitro und in vivo R-Schleifen zu bilden 3,4,12. Negativer superhelikaler DNA-Stress begünstigt ebenfalls die Strukturbildung13,14, da R-Schleifen solche topologischen Spannungen effizient absorbieren und die umgebende DNA-Faser in einen günstigen entspannten Zustand zurückversetzen 5,15.
In der Vergangenheit ging man davon aus, dass R-Schleifen-Strukturen aus seltenen, spontanen Verschränkungen von RNA mit DNA während der Transkription resultieren. Die Entwicklung der DNA:RNA-Immunpräzipitation (DRIP) in Verbindung mit der Hochdurchsatz-DNA-Sequenzierung (DRIP-seq) ermöglichte jedoch die erste genomweite Kartierung von R-Schleifen und zeigte, dass diese Strukturen in menschlichen Zellen weitaus häufiger vorkommen als erwartet 4,16. R-Schleifen treten über Zehntausende von konservierten, transkribierten, genetischen Hotspots in Säugetiergenomen auf, mit einer Vorliebe für GC-verzerrte CpG-Inseln, die das erste Intron von Genen und die terminalen Regionen zahlreicher Gene überlappen17. Insgesamt nehmen R-Schleifen zusammen 3 % bis 5 % des Genoms in menschlichen Zellen ein, was mit Messungen in anderen Organismen übereinstimmt, einschließlich Hefen, Pflanzen, Fliegen und Mäusen 18,19,20,21,22.
Die Analyse von R-Schleifen-bildenden Hotspots in menschlichen Zellen zeigte, dass solche Regionen mit spezifischen Chromatinsignaturen assoziiertsind 23. R-Schleifen sind im Allgemeinen in Regionen mit geringerer Nukleosomenbelegung und höherer RNA-Polymerase-Dichte zu finden. An Promotoren sind R-Schleifen mit einer erhöhten Rekrutierung von zwei co-transkriptionell abgelagerten Histonmodifikationen, H3K4me1 und H3K36me3, assoziiert17. An den Gentermini assoziieren R-Schleifen mit eng angeordneten Genen, die eine effiziente Transkriptionsterminierung durchlaufen17, was mit früheren Beobachtungenübereinstimmt 24. Es wurde auch gezeigt, dass R-Schleifen an der Initiierung der DNA-Replikation an den Replikationsursprüngen von Bakteriophagen, Plasmiden, Mitochondrien und den Hefegenomen 25,26,27,28,29,30,31 beteiligt sind. Darüber hinaus fungieren 76% der R-Schleifen-anfälligen humanen CpG-Inselpromotoren als frühe, konstitutive Replikationsursprünge 32,33,34,35, was die Verbindungen zwischen R-Schleifen und Replikationsursprüngen weiter verstärkt. Zusammengenommen deuten diese Studien darauf hin, dass R-Schleifen eine neuartige Art von biologischem Signal darstellen, das kontextabhängig spezifische biologische Ausgänge auslösen kann23.
Schon früh wurde gezeigt, dass sich R-Schleifen an Klassenschaltersequenzen während des Prozesses der Immunglobulinklassenschalter-Rekombination bilden 3,36,37. Es wird angenommen, dass solche programmierten R-Schleifen durch die Einführung von doppelsträngigen DNA-Brüchen eine Klassenwechsel-Rekombination initiieren38. Seitdem wird die schädliche R-Schleifenbildung, von der allgemein angenommen wird, dass sie aus einer übermäßigen R-Schleifenbildung resultiert, mit genomischer Instabilität und Prozessen wie Hyperrekombination, Transkriptions-Replikations-Kollisionen, Replikation und transkriptionellem Stress in Verbindung gebracht (für die Überprüfung 39,40,41,42,43). Infolgedessen stellt eine verbesserte Kartierung von R-Loop-Strukturen eine spannende und wesentliche Herausforderung dar, um die Verteilung und Funktion dieser Strukturen in Gesundheit und Krankheit besser zu entschlüsseln.
Die DNA:RNA-Immunpräzipitation (DRIP) beruht auf einer hohen Affinität des monoklonalen Antikörpers S9.6 für DNA:RNA-Hybride44. DRIP-seq ermöglicht ein robustes genomweites Profiling der R-Loop-Bildung 4,45. Diese Technik ist zwar nützlich, hat aber eine begrenzte Auflösung, da Restriktionsenzyme verwendet werden, um eine sanfte DNA-Fragmentierung zu erreichen. Darüber hinaus liefert DRIP-seq keine Informationen über die Richtungsabhängigkeit der R-Loop-Bildung. Hier berichten wir über eine Variante von DRIP-seq, die es ermöglicht, R-Schleifen mit hoher Auflösung auf strangspezifische Weise zu kartieren. Diese Methode beruht auf Beschallung, um das Genom vor der Immunpräzipitation zu fragmentieren, und wird daher als sDRIP-seq (sonication DNA:RNA immunoprecipitation coupled with high throughput sequencing) bezeichnet (Abbildung 1). Der Einsatz von Ultraschall ermöglicht eine höhere Auflösung und begrenzt die bei DRIP-seq-Ansätzen beobachteten Restriktionsverzerrungen der enzymgebundenen Fragmentierung46. sDRIP-seq erzeugt R-Loop-Karten, die in starker Übereinstimmung mit den Ergebnissen sowohl von DRIP-seq als auch von der zuvor beschriebenen hochauflösenden DRIPc-seq-Methode sind, bei der Sequenzierungsbibliotheken aus den RNA-Strängen immunpräzipitierter R-Loop-Strukturen aufgebaut werden45.
Angesichts einer Fülle von Methoden, aus denen Sie wählen können, fragen sich die Benutzer möglicherweise, welcher spezielle DRIP-basierte Ansatz für ihre Bedürfnisse vorzuziehen ist. Wir bieten die folgenden Ratschläge an. DRIP-seq ist trotz seiner Einschränkungen technisch am einfachsten und die robusteste (höchste Ausbeute) aller drei hier besprochenen Methoden; Es bleibt also im Großen und Ganzen nützlich. Es wurden zahlreiche DRIP-seq-Datensätze veröffentlicht, die einen nützlichen Vergleichspunkt für neue Datensätze bieten. Schließlich ist die bioinformatische Analysepipeline einfacher, da die Daten nicht gestrandet sind. Es wird empfohlen, dass neue Benutzer damit beginnen, ihre R-Loop-Mapping-Fähigkeiten mit DRIP zu verbessern, gefolgt von quantitativer Polymerase-Kettenreaktion (qPCR) und DRIP-seq. sDRIP-seq stellt einen etwas höheren technischen Schwierigkeitsgrad dar: Die Ausbeuten sind aufgrund der Beschallung leicht reduziert (siehe unten) und der Prozess der Sequenzierungsbibliothek ist etwas komplexer. Dennoch ist der Gewinn durch Strandedness und höhere Auflösung von unschätzbarem Wert. Es wird darauf hingewiesen, dass sDRIP-seq sowohl zweisträngige RNA:DNA-Hybride als auch dreisträngige R-Schleifen erfasst. Aufgrund der Aufbauschritte der Bibliothek wird DRIP-seq keine zweisträngigen RNA:DNA-Hybride erfassen. DRIPc-seq ist technisch anspruchsvollste und erfordert eine höhere Menge an Ausgangsmaterialien. Dafür bietet es die höchste Auflösung und Verseilung. Da Sequenzierungsbibliotheken aus dem RNA-Anteil von R-Schleifen oder Hybriden aufgebaut sind, kann DRIPc-seq unter einer möglichen RNA-Kontamination leiden, zumal S9.6 eine Restaffinität für dsRNA 19,47,48 besitzt. sDRIP-seq ermöglicht ein strangspezifisches, hochauflösendes Mapping, ohne sich Gedanken über RNA-Kontaminationen machen zu müssen, da Sequenzierungsbibliotheken von DNA-Strängen abgeleitet werden. Insgesamt sind diese drei Methoden nach wie vor nützlich und weisen unterschiedliche Komplexitätsgrade und leicht unterschiedliche Vorbehalte auf. Alle drei produzieren jedoch hochkongruente Datensätze48 und sind hochsensitiv gegenüber der RNase H-Vorbehandlung, die eine wesentliche Kontrolle zur Sicherstellung der Signalspezifität darstellt45,49. Es wird darauf hingewiesen, dass angesichts der Größenauswahl, die den Sequenzierungsbibliotheken auferlegt wird, kleine Hybriden (schätzungsweise <75 bp), wie z. B. solche, die sich vorübergehend um nachlaufende DNA-Replikations-Priming-Stellen (Okazaki-Primer) bilden, ausgeschlossen werden. Da alle DRIP-Methoden eine DNA-Fragmentierung beinhalten, gehen instabile R-Schleifen, die für ihre Stabilität ein negatives DNA-Supercoiling erfordern, verloren 5. Daher könnten DRIP-Ansätze die R-Loop-Lasten unterschätzen, insbesondere für kurze, instabile R-Loops, die am besten mit in vivo-Ansätzen erfasst werden können45,48. Es wird darauf hingewiesen, dass R-Schleifen auch in einer S9.6-unabhängigen Weise bei tiefer Abdeckung, hoher Auflösung und in einer strangspezifischen Weise an einzelnen DNA-Molekülen nach einer Natriumbisulfit-Behandlung profiliert werden können12. Darüber hinaus wurden Strategien unter Verwendung eines katalytisch inaktiven RNase H1-Enzyms eingesetzt, um native R-Schleifen in vivo zu kartieren, wobei kurze, instabile R-Schleifen hervorgehoben wurden, die sich hauptsächlich an pausierten Promotorenbilden 50,51,52.