לולאות R הן מבני חומצות גרעין תלת-גדיליות הנוצרים בעיקר במהלך השעתוק עם הכלאה של תעתיק ה-RNA המתהווה לגדיל ה-DNA של התבנית. זה מביא להיווצרות הכלאה של RNA:DNA וגורם לתזוזה של גדיל ה-DNA שאינו תבנית במצב לולאה חד-גדילי. בנייה מחדש ביוכימית 1,2,3,4 ומודלים מתמטיים5, בשילוב עם מדידות ביופיזיקליות אחרות 6,7, קבעו כי לולאות R נוטות יותר להתרחש באזורים המציגים מאפיינים חיוביים ספציפיים. לדוגמה, אזורים המציגים אסימטריה של גדיל בהתפלגות הגואנינים (G) והציטוזינים (C) כך שה-RNA עשיר ב-G, תכונה הנקראת הטיית GC חיובית, מועדפים ליצור לולאות R בעת העתקה בשל היציבות התרמודינמית הגבוהה יותר של היברידית DNA:RNA בהשוואה לדופלקסה-DNA 8. אזורים שפיתחו הטיית GC חיובית, כמו החלקים המוקדמים של גנים אוקריוטיים רבים 4,9,10,11, נוטים ליצור לולאות R במבחנה וב-vivo 3,4,12. מתח על-סלילי שלילי של DNA גם מעדיף מאוד היווצרות מבנה13,14 מכיוון שלולאות R סופגות ביעילות מתחים טופולוגיים כאלה ומחזירות את סיבי ה-DNA שמסביב למצב רגוע חיובי 5,15.
מבחינה היסטורית, מבני לולאת R נחשבו כנובעים מהסתבכות נדירה וספונטנית של RNA עם DNA במהלך השעתוק. עם זאת, הפיתוח של DNA:RNA immunoprecipitation (DRIP) יחד עם ריצוף DNA בתפוקה גבוהה (DRIP-seq) אפשרו את המיפוי הראשון של לולאות R ברחבי הגנום וחשפו כי מבנים אלה נפוצים הרבה יותר מהצפוי בתאים אנושיים 4,16. לולאות R מתרחשות על פני עשרות אלפי נקודות חמות גניות משומרות, מתועתקות, בגנום של יונקים, עם נטייה לאיי CpG מוטים GC החופפים את האינטרון הראשון של הגנים ואת האזורים הסופיים של גניםרבים 17. בסך הכל, לולאות R תופסות ביחד 3%-5% מהגנום בתאים אנושיים, בהתאם למדידות באורגניזמים אחרים, כולל שמרים, צמחים, זבובים ועכברים 18,19,20,21,22.
ניתוח של נקודות חמות היוצרות לולאת R בתאים אנושיים גילה כי אזורים כאלה קשורים לחתימות כרומטין ספציפיות23. לולאות R, באופן כללי, נמצאות באזורים עם תפוסה נמוכה יותר של נוקלאוזומים וצפיפות RNA פולימראז גבוהה יותר. אצל מקדמים, לולאות R קשורות לגיוס מוגבר של שני שינויים בהיסטון שהושקעו במשותף, H3K4me1 ו-H3K36me317. בטרמיני גנים, לולאות R מתקשרות לגנים מסודרים היטב שעוברים סיום שעתוק יעיל17, בהתאם לתצפיות קודמות24. כמו כן, הוכח כי לולאות R משתתפות בהתחלת שכפול ה-DNA במקורות השכפול של גנום הבקטריופאג'ים, הפלסמיד, המיטוכונדריה והשמרים 25,26,27,28,29,30,31. בנוסף, 76% ממקדמי האיים האנושיים המועדים ללולאת R מתפקדים כמקורות שכפול מוקדמיםומכוננים 32,33,34,35, מה שמחזק עוד יותר את הקשרים בין לולאות R למקורות שכפול. באופן קולקטיבי, מחקרים אלה מצביעים על כך שלולאות R מייצגות סוג חדש של אות ביולוגי שיכול לעורר יציאות ביולוגיות ספציפיות באופן תלוי הקשר23.
בשלב מוקדם, הוכח כי לולאות R נוצרות ברצפי מתגי מחלקה במהלך תהליך רקומבינציה של מתג מחלקה אימונוגלובולין 3,36,37. לולאות R מתוכנתות כאלה נחשבות ליזום רקומבינציה של מתגי מחלקה באמצעות הכנסת שבירות DNA דו-גדיליות38. מאז, היווצרות לולאת R מזיקה, המובנת בדרך כלל כנובעת מהיווצרות מוגזמת של לולאת R, נקשרה לחוסר יציבות גנומית ולתהליכים כגון רקומבינציה יתר, התנגשויות שעתוק-שכפול, שכפול ומתח שעתוק (לסקירה 39,40,41,42,43). כתוצאה מכך, מיפוי משופר של מבני לולאת R מייצג אתגר מרגש וחיוני לפענוח טוב יותר של התפוצה והתפקוד של מבנים אלה בבריאות ובחולי.
DNA:RNA immunoprecipitation (DRIP) מסתמך על זיקה גבוהה של הנוגדן החד-שבטי S9.6 להכלאות DNA:RNA44. DRIP-seq מאפשר פרופיל חזק בכל הגנום של היווצרות לולאת R 4,45. למרות שהיא שימושית, טכניקה זו סובלת מרזולוציה מוגבלת בשל העובדה שאנזימי הגבלה משמשים להשגת פיצול DNA עדין. בנוסף, DRIP-seq אינו מספק מידע על הכיווניות של היווצרות לולאת R. כאן, אנו מדווחים על גרסה של DRIP-seq המאפשרת מיפוי של לולאות R ברזולוציה גבוהה באופן ספציפי לגדיל. שיטה זו מסתמכת על סוניקציה כדי לפצל את הגנום לפני המשקעים החיסוניים, ולכן השיטה נקראת sDRIP-seq (סוניקציה של DNA:RNA immunoprecipitation יחד עם ריצוף תפוקה גבוהה) (איור 1). השימוש בסוניקציה מאפשר רזולוציה מוגברת ומגביל הטיות פיצול הקשורות לאנזים הגבלה שנצפו בגישות DRIP-seq46. sDRIP-seq מייצר מפות לולאת R העולות בקנה אחד עם התוצאות הן מ-DRIP-seq והן משיטת DRIPc-seq ברזולוציה גבוהה שתוארה קודם לכן, שבה ספריות ריצוף נבנות מגדילי ה-RNA של מבני לולאת R משקעים חיסוניים45.
מול שפע של שיטות לבחירה, משתמשים עשויים לתהות איזו גישה מסוימת מבוססת DRIP עדיפה לצרכים שלהם. אנו מציעים את העצה הבאה. DRIP-seq, למרות מגבלותיו, הוא הקל ביותר מבחינה טכנית והוא החזק ביותר (התשואות הגבוהות ביותר) מבין כל שלוש השיטות שנדונו כאן; לכן הוא נשאר שימושי באופן נרחב. פורסמו מערכי נתונים רבים של DRIP-seq, המספקים נקודת השוואה שימושית עבור מערכי נתונים חדשים. לבסוף, צינור הניתוח הביואינפורמטי פשוט יותר מכיוון שהנתונים אינם תקועים. מומלץ למשתמשים חדשים להתחיל לחדד את כישורי מיפוי לולאת ה-R שלהם עם DRIP ואחריו תגובת שרשרת פולימראז כמותית (qPCR) ו-DRIP-seq. sDRIP-seq מייצג דרגה מעט גבוהה יותר של קושי טכני: התשואות מופחתות מעט עקב סוניקציה (נדון להלן) ותהליך ספריית הרצף מעט מורכב יותר. עם זאת, הרווח של תקיעה ורזולוציה גבוהה יותר לא יסולא בפז. יצוין כי sDRIP-seq יתפוס גם RNA דו-גדילי: היברידיות DNA וגם לולאות R תלת-גדיליות. בשל שלבי בניית הספרייה, DRIP-seq לא יתפוס היברידיות RNA:DNA דו-גדיליות. DRIPc-seq הוא התובעני ביותר מבחינה טכנית ודורש כמות גבוהה יותר של חומרי התחלה. בתמורה, הוא מציע את הרזולוציה הגבוהה ביותר ואת התקיעות הגבוהות ביותר. מכיוון שספריות ריצוף בנויות מחלק ה-RNA של לולאות R או היברידיות, DRIPc-seq עלול לסבול מזיהום RNA אפשרי, במיוחד מכיוון של-S9.6 יש זיקה שיורית ל-dsRNA 19,47,48. sDRIP-seq מאפשר מיפוי ספציפי לגדיל ברזולוציה גבוהה ללא דאגות לגבי זיהום RNA מכיוון שספריות ריצוף נגזרות מגדילים של DNA. בסך הכל, שלוש השיטות הללו נותרו שימושיות ומציגות דרגות שונות של מורכבות ואזהרות שונות במקצת. עם זאת, כל השלושה מייצרים מערכי נתונים תואמים מאוד48 ורגישים מאוד לטיפול מקדים ב-RNase H, המייצג בקרה חיונית להבטחת ספציפיות האות 45,49. יצוין כי בהתחשב בבחירת הגודל המוטלת על ספריות ריצוף, הכלאות קטנות (מוערך <75 bp), כגון אלה הנוצרות באופן חולף סביב אתרי תחול שכפול DNA של גדיל מפגר (פריימרים של אוקזאקי) לא ייכללו. באופן דומה, מכיוון שכל שיטות ה-DRIP כוללות פיצול DNA, לולאות R לא יציבות הדורשות סליל-על שלילי של DNA ליציבותן יאבדו5. לפיכך, גישות DRIP עשויות להמעיט בהערכת עומסי לולאת R, במיוחד עבור לולאות R קצרות ולא יציבות שניתן ללכוד בצורה הטובה ביותר באמצעות גישות in vivo 45,48. יצוין כי ניתן לאפיין לולאות R גם באופן בלתי תלוי ב-S9.6 בכיסוי עמוק, ברזולוציה גבוהה ובאופן ספציפי לגדיל על מולקולות DNA בודדות לאחר טיפול בנתרן ביסולפיט12. בנוסף, נעשה שימוש באסטרטגיות המשתמשות באנזים RNase H1 לא פעיל מבחינה קטליטית כדי למפות לולאות R מקוריות in vivo, תוך הדגשת לולאות R קצרות ולא יציבות הנוצרות בעיקר במקדמים מושהים 50,51,52.