R-loop 係指一個由三股核酸所組成的結構 ── 新生 RNA 與模板 DNA 的雜合體 (hybrid) 與非模板 DNA 所共同組成，是轉錄過程中自然會產生的結構。不過一個穩定的 R-loop 的形成，一般認為可能會因為單股 DNA 暴露時間過長而對基因體的穩定度帶來傷害。不過，危機也很可能是轉機，R-loop 被發現廣泛分布於許多含有 CpG island 的啟動子和 G-rich 的終止子上，這暗示了 R-loop 很可能在整個基因轉錄調控上扮演某些重要的角色。另外，R-loop 也被發現在異染色質 (heterochromatin) 的形成中扮演重要的角色，2012 年一篇研究指出 R-loop 透過產生 RNAi (RNA interference) 導引中節 (centromere) 形成其應有的異染色質結構，若中節的 R-loop 被移除將導致異染色質結構無法形成。
圖片來源 https://www.nature.com/articles/nature13787
在本篇研究中，英國牛津大學 Nicholas J. Proudfoot 等人發現 R-loop 在基因轉錄終止所扮演的角色與 R-loop 在中節形成異染色質的機轉有類似的情形。他們在人類 β-actin 終止子所在的位置藉由 RT-PCR 和染色質免疫沉澱 (chromatin immunoprecipitation, ChIP) 偵測到豐富的反義 RNA (antisense RNA) 與 dsRNA，同時也觀察到許多 RNAi 形成所需的相關酵素坐落其上。RNase H 是一種可專一地降解 DNA/RNA hybrid 的酵素，當在細胞中過度表現 RNase H 以減少 R-loop 的形成時，發現位於終止子的 antisense RNA 以及 RNAi 相關酵素濃度也將顯著地下降 (Fig. 1)。同時，在終止子上也發現 H3K9 甲基化增加 (包括 H3K9me 和 H3K9me2) 與該甲基化所需的酵素 (G9a／GLP) 濃度上升 (Fig. 2)。該甲基化將被 HP1γ 所辨識進而形成異染色質。為了闡明 RNAi 與組蛋白 (histone) 甲基化之間的因果關聯，他們利用剔除 Ago2 (一種參與 RNAi 製造之蛋白) 的小鼠胚胎幹細胞進行實驗，發現在終止子上的組蛋白甲基化程度大幅降低，而終止子及其下游 DNA 的轉錄活性則顯著增加 (Fig. 3)，暗示了組蛋白的甲基化有賴於 RNAi 協助。
總結來說，G-rich 的終止子在轉錄末期將會產生 R-loop，進而產生 RNAi，然後導致組蛋白的甲基化而形成異染色質。在表觀遺傳學研究中，基因邊界 (gene boundary) 的形成與調控一直都是一個重要的議題 ── 除了 DNA 序列本身，組蛋白的轉錄後修飾等也都將決定一段染色質上何處應該開始具有轉錄活性、何處應該失去轉錄活性。這篇研究對於這個議題無疑提供了一個嶄新的答案。
撰稿｜李政霖
修訂｜任怡昕
參考文獻：
- Skourti-Stathaki, K., Kamieniarz-Gdula, K., & Proudfoot, N. J. (2014). R-loops induce repressive chromatin marks over mammalian gene terminators. Nature, 516(7531), 436. doi: 10.1038/nature13787
圖片網址：https://www.nature.com/articles/nature13787
