北京時間 2017 年 9 月 23 日凌晨，孫前文研究組在植物學(xué)*期刊《植物細(xì)胞》(The Plant Cell) 在線發(fā)表題為“RNase H1 與 DNA 解旋酶協(xié)作以限制擬南芥葉綠體 R -loop 水平并且維持基因組穩(wěn)定性（RNase H1 cooperates with DNA gyrases to restrict R-loops and maintain genome integrity in Arabidopsis chloroplast）”的研究論文，報道了葉綠體基因組穩(wěn)定性受到 R -loop 影響的分子機制。

R-loop 是一種特殊的三鏈核酸結(jié)構(gòu)，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(fā)現(xiàn)穩(wěn)定存在的 R -loop 結(jié)構(gòu)，并且越來越多研究表明 R -loop 的積累與許多人類疾病有關(guān)，例如神經(jīng)變性疾病，核苷酸擴增疾病以及癌癥等。R-loop 的清除受多種因素調(diào)節(jié)，其中核糖核酸酶 RNase H 可以特異地清除 DNA:RNA 雜合鏈中的 RNA，是去除 R -loop 結(jié)構(gòu)的主要因子之一。目前對植物中 R -loop 調(diào)控以及相關(guān)功能的研究還非常少，尤其植物半自主細(xì)胞器如葉綠體中 R -loop 的存在和功能尚屬未知。葉綠體被譽為植物的“養(yǎng)料制造車間”，它的正常運轉(zhuǎn)基于其基因組的穩(wěn)定性。早在上世紀(jì)八十年代鄧興旺博士就發(fā)現(xiàn)菠菜葉綠體基因組可以自發(fā)降解的現(xiàn)象（Deng et al., PNAS USA, 1989），然而葉綠體如何抵抗 DNA 損傷并維持基因組穩(wěn)定的機制尚不清楚。

孫前文研究組通過分析獲得一個新的定位于葉綠體中的 RNase H1 蛋白（AtRNH1C），發(fā)現(xiàn)該蛋白可以調(diào)節(jié)葉綠體中 R -loop 水平的變化，從而維持基因組的穩(wěn)定性和發(fā)育（圖 1）；后續(xù)分析揭示 AtRNH1C 可以與 DNA 解旋酶協(xié)作來解除葉綠體基因組 rDNA 區(qū)轉(zhuǎn)錄與復(fù)制時發(fā)生迎面（Head-on）對撞，從而減少 DNA 的損傷（圖 2）。當(dāng) AtRNH1C 和 DNA 解旋酶的活性減弱或缺失時，R-loop 就會在 rDNA 區(qū)大量積累，同時 DNA 復(fù)制受阻，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄與 DNA 復(fù)制叉發(fā)生迎面（Head-on）對撞并破壞葉綠體基因組的穩(wěn)定性（圖 2）。這一發(fā)現(xiàn)詳細(xì)地解釋了葉綠體如何抵抗基因組不穩(wěn)定性，也將加深我們對真核生物細(xì)胞中其它半自主細(xì)胞器（如線粒體）基因組組成的認(rèn)識，并有望為治療某些線粒體基因組穩(wěn)定性異常而導(dǎo)致的人類疾病提供理論依據(jù)。

孫前文研究組重點關(guān)注植物 R -loop 的形成、穩(wěn)定和解除的調(diào)節(jié)機制及相應(yīng)的生物學(xué)功能，本研究是繼報道 R -loop 調(diào)節(jié)長非編碼 RNA 表達(dá)并影響擬南芥開花（Science, 2013）、調(diào)控水稻根的向地性（Molecular Plant, 2017）、以及高通量全基因組 R -loop 分析（Nature Plant, 2017）后的又一重要成果。

孫前文研究組 2016 級博士研究生楊卓、博士后侯全璨和 2014 級博士研究生程玲玲通力協(xié)作共同完成了本項研究，同署共同*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(xué)自主科研計劃（青年教師基礎(chǔ)研究專項）和*國家重點研發(fā)計劃的資助，其它支持經(jīng)費來源還包括國家自然科學(xué)基金委、生命科學(xué)聯(lián)合中心等。侯全璨博士受到清華大學(xué)博士后支持計劃的資助。清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)測試中心蛋白化學(xué)平臺在本研究中的質(zhì)譜分析方面給予了大力支持。

圖 1：葉綠體定位的 RNase H1 蛋白 AtRNH1C 對葉綠體的發(fā)育，R-loop 水平以及基因組的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

A：AtRNH1C 基因突變后嚴(yán)重影響葉綠體發(fā)育。B：相比野生型 Col-0，atrnh1c 突變體中葉綠體基因組 R -loop 水平大量積累。C：脈沖電泳分析發(fā)現(xiàn) atrnh1c 突變體中葉綠體基因組穩(wěn)定性明顯降低。

圖 2：AtRNH1C 和 AtGyrases 協(xié)作以解除葉綠體基因組中高轉(zhuǎn)錄與高復(fù)制區(qū)域發(fā)生的迎面（Head-on）對撞從而維持基因組穩(wěn)定。當(dāng) AtRNH1C 失活或 AtGyrases 活性被抑制后，高轉(zhuǎn)錄與高復(fù)制區(qū)域的迎面（Head-on）對撞無法解除，從而導(dǎo)致基因組穩(wěn)定性降低。