R-loop 是一種特殊的染色質結構，又被稱為 RNA：DNA 雜合鏈，從細菌到哺乳動物都廣泛存在。R-loop 可以調控基因表達的各個階段，包括轉錄起始和終止。R-loop 在不同細胞類型中可以通過不同的分子機製作為調控基因表達的激活劑或抑制劑，R-loop 主要富集在增強子、啟動子區域，並且通常與活化組蛋白標記如 H3K4me3 共定位。雖然 R-loop 在調節染色質結構、染色體開放度和轉錄過程中已經有了一定的了解，但是 R-loop 在細胞分化和可塑性中的具體功能仍然缺乏詳細的理解。
2020 年 7 月 7 日，中國科學院動物研究所劉光慧研究組與曲靜研究組、清華大學孫前文研究組、中國科學院北京基因組研究所張維綺研究組合作在 Cell Reports 雜誌在線發表題為 Genome-wide R-loop landscapes during cell differentiation and reprogramming 的研究論文。該研究通過體外誘導分化人類胚胎幹細胞， 系統繪製了人類胚胎幹細胞分化為多種細胞類型過程和細胞重編程過程的單鹼基精度的 R-loop 圖譜，並同時描繪了相應過程的轉錄組、組蛋白修飾組、染色質結構開放性和 DNA 甲基化修飾等多組學變化，並提出 R-loop 可作為一種關鍵的表觀遺傳修飾因子調控人類細胞命運決定。
研究首先通過 ssDRIP-seq、RNA-seq、ATAC-seq、CHIP-seq 和 WGBS 等多種測序方式檢測人類胚胎幹細胞分化為多種細胞類型過程和重編程過程中的多組學變化情況（圖 1a，b）。
圖片來源: Cell Reports
結果顯示，共測到 536,897 個正義鏈 R-loop 信號峰和 502,402 個反義鏈信號峰，並發現 R-loop 的形成與 GC 含量高度相關，約佔 25% 左右的 R-loop 信號峰是多種細胞類型共有的，而約 30% 左右的 R-loop 信號峰是細胞類型特異的（圖 1c，d，e）
圖片來源: Cell Reports
研究發現，多種細胞類型中的 R-loop 的水平與基因表達量均有較高的相關性。並且，對於每一種細胞類型的特異標記基因來說，R-loop 特異富集在這些基因的區域。比如，人類胚胎幹細胞的 R-loop 主要就富集在多潛能性基因，如 OCT4 和 NANOG。人類神經幹細胞的 hNSC 主要富集在神經分化通路基因，比如 PAX6 和 POU3F2（圖 2a，b）。
圖片來源: Cell Reports
研究同時發現，R-loop 和其他表觀遺傳修飾具有很好的相關性。比如 14 中不同的染色質狀態可以根據 R-loop 的分布區分為「只含 R-loop」、「 富含 R-loop」和「 缺乏 R-loop」三種不同的類別。其中，「只有 R-loop」指這段染色質區域中含有 R-loop 修飾，而不伴有其他表觀遺傳修飾（圖 3a，）。
圖片來源: Cell Reports
該研究系統描繪了人類胚胎幹細胞分化過程中 R-loop 圖譜和多種表觀遺傳修飾的變化，提出 R-loop 可能作為一種新的表觀遺傳修飾，並詳細描述了 R-loop 在人類細胞命運決定中的作用，對於幹細胞應用於再生醫學具有潛在價值。
文章的共同通訊作者為中國科學院動物研究所劉光慧研究員和曲靜研究員、清華大學孫前文教授和中國科學院北京基因組研究所張維綺研究員。
論文連結：
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2020.107870