清華新聞網9月25日電 9月23日，清華大學生命學院孫前文研究員實驗室在植物學國際知名期刊《植物細胞》(The Plant Cell)在線發表題為「核糖核酸酶H與DNA解旋酶協作以限制擬南芥葉綠體R環水平並且維持基因組穩定性（RNase H1 cooperates with DNA gyrases to restrict R-loops and maintain genome integrity in Arabidopsis chloroplast）」的研究論文，首次報導了葉綠體基因組穩定性受到R-loop影響的分子機制。
R環是一種特殊的三鏈核酸結構，其組成包括一條DNA:RNA雜合鏈（由RNA與其同源DNA序列互補雜交形成）和一條單鏈DNA。近年來已在多種生物體中發現穩定存在的R環結構，並且越來越多研究表明R環的積累與許多人類疾病有關，例如神經變性疾病，核苷酸擴增疾病以及癌症等。R環的清除受多種因素調節，其中核核糖核酸酶H(RNase H)可以特異地清除DNA:RNA雜合鏈中的RNA，是去除核糖核酸酶H結構的主要因子之一。
圖1：葉綠體定位的核糖核酸酶H蛋白AtRNH1C對葉綠體的發育，R環水平以及基因組的穩定性至關重要。
A：AtRNH1C基因突變後嚴重影響葉綠體發育。B：相比野生型（Col-0），atrnh1c突變體中葉綠體基因組R環水平大量積累。C：脈衝電泳分析發現atrnh1c突變體中葉綠體基因組穩定性明顯降低。
目前對植物中R環調控以及相關功能的研究還非常少，尤其植物半自主細胞器如葉綠體中R環的存在和功能尚屬未知。葉綠體被譽為植物的「養料製造車間」，它的正常運轉基於其基因組的穩定性。早在上世紀八十年代鄧興旺博士就發現菠菜葉綠體基因組可以自發降解的現象（Deng et al., PNAS USA, 1989），然而葉綠體如何抵抗DNA損傷並精確維持基因組穩定的機制尚不清楚。
孫前文課題組通過分析獲得一個新的定位於葉綠體中的核糖核酸酶H蛋白（AtRNH1C），發現該蛋白可以調節葉綠體中R-loop水平的變化，從而維持基因組的穩定性和發育（圖1）；後續分析揭示核糖核酸酶H蛋白可以與DNA解旋酶協作來解除葉綠體基因組rDNA區轉錄與複製時發生迎面（Head-on）對撞，從而減少DNA的損傷（圖2）。當核糖核酸酶H蛋白和DNA解旋酶的活性減弱或缺失時，R環就會在rDNA區大量積累，同時DNA複製受阻，導致轉錄與DNA複製叉發生迎面（Head-on）對撞並破壞葉綠體基因組的穩定性（圖2）。這一發現詳細地解釋了葉綠體如何精確抵抗基因組不穩定性，也將加深對真核生物細胞中其它半自主細胞器（如線粒體）基因組組成的認識，並有望為治療某些線粒體基因組穩定性異常而導致的人類疾病提供理論依據。
圖2：上圖：核糖核酸酶H蛋白AtRNH1C和DNA解旋酶複合體AtGyrases協作以解除葉綠體基因組中高轉錄與高複製區域發生的迎面（Head-on）對撞從而維持基因組穩定；下圖：當核糖核酸酶H失活（atrnh1c）或DNA解旋酶複合體活性被藥物抑制(CIP)後，高轉錄與高複製區域的迎面（Head-on）對撞無法解除，從而導致基因組穩定性降低。
孫前文實驗室重點關注植物R環的形成、穩定和解除的調節機制及相應的生物學功能，本研究是繼報導R環調節長非編碼RNA表達並影響擬南芥開花[《科學》（Science）, 2013]、調控水稻根的向地性[《分子植物學》（Molecular Plant）, 2017]、以及精準高效高通量全基因組R環分析[《自然·植物》（Nature Plant）, 2017]後的又一重要成果。
孫前文實驗室2016級博士研究生楊卓、博士後侯全璨和2014級博士研究生程玲玲通力協作共同完成了本項研究，同署共同第一作者；孫前文研究員為本文的通訊作者。該研究主要獲得清華大學自主科研計劃（青年教師基礎研究專項）和科技部國家重點研發計劃的資助，其它支持經費來源還包括國家自然科學基金委以及生命科學聯合中心等。侯全璨博士受到清華大學博士後支持計劃的資助。清華大學生物醫學測試中心蛋白化學平臺在本研究中的質譜分析方面給予了大力支持。
原文連結：
http://www.plantcell.org/content/early/2017/09/21/tpc.17.00305?rss=1
相關文章連結：
2013年Science文章報導R-loop調節長非編碼RNA表達並影響擬南芥開花：
http://science.sciencemag.org/content/340/6132/619.long
2017年Molecular Plant文章報導R-loop調控水稻根的向地性：
http://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(17)30102-8
2017年Nature Plants文章報導精準、高效、高通量檢測R-loop分布的新方法:
https://www.nature.com/articles/s41477-017-0004-x
供稿：生命學院 編輯：華山