R-петли представляют собой особые структурные конформации нуклеиновых кислот, которые образуются при гибридизации РНК с комплементарной цепью двухцепочечной ДНК. В результате вытесняется одна из исходных цепей ДНК в области гибридизации по типу петли.

Впервые этот феномен был описан у прокариот более 20 лет назад [1]. Долгое время R-петли рассматривались как побочный продукт транскрипции, не имеющий значительных эффектов и, соответственно, не представляющий особого интереса. Однако развитие геномики и транскриптомики с совершенствованием технических возможностей позволили по-новому взглянуть на забытые области науки. В течение последнего десятилетия все большее число исследований выявили новые особенности строения и функций R-петель в ходе транскрипции (рис. 1) [2]. Будучи ранее «теневыми» структурами со смутным и неясным значением, R-петли все больше обнаруживают свою биологическую и клиническую ценность.
.

Рисунок 1 | Модель R-петли

Геномное картирование R-петель в клеточных линиях человека, мыши и дрожжей с помощью иммунопреципитации ДНК/РНК с последующим высокопроизводительным секвенированием (DRIP-seq) помогло понять, как и где они образуются. Обнаружено, что R-петли — весьма крупные комплексы, которые занимают до 5 % генома млекопитающих и 8 % генома почкующихся дрожжей [3]. «Территориально» петли предпочитают GC-богатые регионы, такие как типичные промоторы и 3'-концевые области, чтобы защитить эти области от метилирования ДНК. В участках терминации генов они способствуют более эффективной терминации транскрипции.

Многочисленные связи между формированием R-петель и состоянием геномной стабильности стали фундаментом для их роли в развитии патологических состояний. Когда при гибридизация РНК с ДНК-матрицей образуется петля, одинокая вытесненная одноцепочечная ДНК становится крайне уязвимой и нестабильной, повышается ее чувствительность к различным нуклеазам (например, индуцированная активацией цитидин-деаминаза). Это служит фундаментом для формирования двухцепочечных разрывов молекулы ДНК и гипермутаций таких регионов.

Клетки используют разнообразные механизмы для регулирования образования R-петель. К «противопетлевой» системе относится РНКаза Н, которая специфически расщепляет РНК-фрагмент у гибридов РНК-ДНК. Также геликазы, такие как сенатаксин, «разматывают» гибриды РНК-ДНК. Топоизомеры регулируют суперспирализацию (суперскручивание) ДНК: суперспиральная структура способствует компактной упаковке огромной молекулы. Потеря активности топоизомеразы I и ее релаксирующего действия на молекулу приводит к усилению отрицательной (против часовой стрелки) суперспирализации, что способствует раскручиванию двойной спирали. Это может привести к остановке как РНК-полимеразы, так и репликационных вилок, что приведет к разрывам цепей. Заблокированные репликационные вилки являются нестабильными структурами, склонными к рекомбинации. Все эти факторы усиливают нестабильность генома.

Увеличение числа нуклеотидных повторов (экспансия) в нестабильных участках генома способна приводить к различным нарушениям, таким как ингибирование транскрипции и экспрессия токсичных РНК, токсичных полиглутаминовых белков. Значительное количество геноспецифических нуклеотидных экспансий было ассоциировано с возникновением R-петель. Также репликационный стресс и нестабильность генома — фундамент для канцерогенеза. Наиболее вероятно, что этот механизм реализуется при аберрациях в генах репарации ДНК, например, генах-супрессорах BRCA 1 и 2, ответственных за гомологичную репарацию двунитевых разрывов ДНК. Наличие стабильной структуры R-петли позволяет поддерживать открытую локальную конформацию хроматина и усиливает связывание транскрипционного фактора со смещенной одноцепочечной цепью ДНК, что повышает экспрессию виментина (табл.1) [5-7].
.

Таблица 1 | Заболевания, ассоциированные с нарушением баланса R-петель [5-7]

*Импринтированный ген — уровень экспрессии генетического материала зависит от материнского или отцовского происхождения аллели (например, материнская аллель экспрессируется, отцовская — нет, так как импринтирована) [7].

Молекулярная биология превращается в мощный инструмент медицинской науки. Помимо генома, все более доступны исследования транскриптома и их взаимосвязи. R-петли стали одним из пересмотренных факторов в геномной нестабильности. Множество тайн еще неразгаданы, а каждая новая степень в понимании порождает более глубокие вопросы. На сегодняшний момент все описанные R-петли являются котранскрипционными и, следовательно, образуются в цис-положении. R-петли, образующиеся в транс-положении, вдали от места их транскрипции, были описаны у дрожжей [8]. Возможность транс-положения R-петель и в геноме человека позволит расширить представление об их регуляторных функциях. Также увеличится спектр заболеваний, в патогенез которых вовлечены эти структуры. Кроме того, идентификация молекул-модуляторов R-петель может найти применение в диагностике и терапии таких нозологий.

Источники:

Drolet M., Bi X., Liu L.F. Hypernegative supercoiling of the DNA template during transcription elongation in vitro. J Biol Chem. 1994; 269(3):2068-7.
Sanz L.A.et al. Prevalent, Dynamic, and Conserved R-Loop Structures Associate with Specific Epigenomic Signatures in Mammals.Mol Cell. 2016; 63(1):167-78.
Allison D.F., Wang G.G. R-loops: formation, function, and relevance to cell stress. Cell Stress. 2019;3(2):38–46.
Chakraborty P., Huang J.T.J., Hiom K. DHX9 helicase promotes R-loop formation in cells with impaired RNA splicing. Nat Commun. 2018;9(1):4346.
Richard Р., Manley J.L. R Loops and Links to Human Disease. J Mol Biol. 2017;429(21):3168–3180.
Toubiana S., Selig S. DNA:RNA hybrids at telomeres — when it is better to be out of the (R) loop. FEBS J. 2018;285(14):2552-2566.
García-Muse Т.Aguilera А.R Loops: From Physiological to Pathological Roles.Cell.2019; ISSN 0092-8674.
Wahba L., Gore S.K., Koshland D. The homologous recombination machinery modulates the formation of RNA–DNA hybrids and associated chromosome instability. eLife. 2013;2:e00505.

Подкасты

Инфографика

Видеоматериалы