R-loop CUT&Tag

R-loop CUT&Tag系列文章之一:R-loop概览——结构、形成、分布、调控因子及病理生理功能

2024-04-11 16:44
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R-loop CUT&Tag系列文章之一:R-loop概览——结构、形成、分布、调控因子及病理生理功能


01
R-loop是具有DNA-RNA杂交体的特殊三链核酸结构


1976年,Thomas等首次通过电子显微镜观察到了R-loop结构。R-loop,又称R环,是含有DNA-RNA双链和被置换的DNA单链组成的特殊三链核酸结构。


R-Loop结构示意图



02
R-loop可通过顺式(cis)和反式(trans)形成


R-loop可通过顺式(cis)和反式(trans)形成,顺式R环是当RNA聚合酶转录时,新生RNA退火至RNAPII后面的DNA模板链上;反式R环是由RNA和远处的DNA链杂交形成,例如基于非编码RNA (non-coding RNA,ncRNA)和向导RNA(gRNA) 的R-loop。




R-loop可通过顺式或反式形成



03
R-loop在基因组中分布广泛


R-loop最初被认为是是罕见的转录副产物,目前发现存在于各种基因组中,例如细菌、酵母、高等植物和人类细胞等。在各种基因组中,R-loop的分布非常广泛。

R-loop在与反义转录相关的基因处富集明显,可直接促进反义表达。在酵母、人类细胞和植物中,R-loop主要富集在重复序列、启动子区域和一些特定的基因区域,如转座元件、核糖体DNA、着丝点和端粒等。在人类和植物中,R-loop在含有CpG岛(CGIs的启动子区域显著富集。CGIs存在于大约60%的人类基因的启动子中,特点之一是存在GC skew。高GC skew与基因的高表达和R-loop富集相关。同时,R-loop的分布还受到DNA二级结构,例如G4联体G-quadruplexes,G4s)等因素的影响,可能有助于提升R-loop的稳定性。此外,R-loop还富集于转录-复制碰撞区域。RNA-DNA 杂交体(或R环)在 DNA 损伤部位形成,特别是在 DNA 双链断裂至(DSB)处,通过招募乳腺癌易感蛋白1(BRCA1)促进同源定向修复。


R-loop在基因组的分布情况


对于共转录R-loop来说,其主要存在于转录起始位点TSS附近的RNA聚合酶 IIPol II暂停位点、基因体中具有高GC skew的序列以及转录终止位点TTS

R-loop在基因组的分布情况



04
R-loop具有多种类型的调控因子

随着研究的深入,越来越多的R-loop调控因子被发现。参与R-loop调控的因子包括染色质修饰因子、解旋酶/移位酶、拓扑异构酶、复制/修复因子、RNA加工因子、RNA Writers&Readers、终止因子、核糖核酸酶等。


R-loop调控因子举例


R-loopBase将PubMed中的文献数据进行整理,构建了R-loop调控因子列表,并通过PPI网络分析和GO富集分析揭示生物过程。


R-loop调控蛋白的PPI网络和GO富集分析示例图



05

R-loop的生理病理功能

根据R-loop的作用,可将其大致分为生理性或“调节性”的R-loop和病理性或“非计划性”R-loop。调节性R-loop与基因调节和基因组稳定性相关,通过调节转录活性、复制、重组、着丝粒功能和DNA编辑等来调节基因活性。同时,调节性R-loop还通过促进修复DNA双链断裂DSB和短端粒结构来稳定基因组。如果未及时去除或未防止不需要的R-loop积累,则会导致非计划性R-loop的形成。非计划性R-loop是异常基因调控的来源,可导致基因组的不稳定,例如诱导DNA损伤。


调节性和非计划性R-loop的功能


研究表明R-loop与多种疾病之间存在直接联系,可能为相关疾病的治疗提供新的靶点和策略。R-loop相关的疾病包括癌症,例如乳腺癌和卵巢癌;神经系统疾病,如Friedreich共济失调(FRDA)和脆性X综合征(FXS);自身免疫性疾病,如Aicardi-Goutieres综合征等。与R-loop相关的部分疾病如下表所示。


与R-loop相关的人类疾病


参考文献:

1、Hegazy YA, Fernando CM, Tran EJ. The balancing act of R-loop biology: The good, the bad, and the ugly. J Biol Chem. 2020 Jan 24;295(4):905-913.

2、Niehrs C, Luke B. Regulatory R-loops as facilitators of gene expression and genome stability. Nat Rev Mol Cell Biol. 2020 Mar;21(3):167-178.

3、Petermann E, Lan L, Zou L. Sources, resolution and physiological relevance of R-loops and RNA-DNA hybrids. Nat Rev Mol Cell Biol. 2022 Aug;23(8):521-540.

4、Brickner JR, Garzon JL, Cimprich KA. Walking a tightrope: The complex balancing act of R-loops in genome stability. Mol Cell. 2022 Jun 16;82(12):2267-2297.

5、Lin R. et al. R-loopBase: a knowledgebase for genome-wide R-loop formation and regulation. Nucleic Acids Res. 2022 Jan 7;50(D1):D303-D315.

6、Khan ES, Danckwardt S. Pathophysiological Role and Diagnostic Potential of R-Loops in Cancer and Beyond. Genes (Basel). 2022 Nov 22;13(12):2181.

7、Crossley MP, Bocek M, Cimprich KA. R-Loops as Cellular Regulators and Genomic Threats. Mol Cell. 2019 Feb 7;73(3):398-411.


END


上海嘉因生物
中国表观遗传学技术服务领跑者         
01
嘉因生物-CUT&Tag介绍

CUT&Tag可以在全基因组范围内定位转录因子的结合位点或者组蛋白修饰发生的位置。CUT&Tag使用ProteinA-Tn5融合蛋白来结合目的蛋白上的抗体,并特异性切割目的蛋白结合的DNA,最终实现靶蛋白结合位点的精准定位。相比于ChIP-seq而言, CUT&Tag 的数据信噪比高、所需细胞数少,测序量小并且实验重复性高。

scCUT&Tag,即单细胞CUT&Tag,可以进一步了解,指定的转录因子或者组蛋白修饰,在细胞群体中每一个细胞中的结合位置。
















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嘉因生物-CUT&Tag优势

优势一 2021年7月,国内第1篇由服务商提供CUT&Tag服务的文章发表于Genome Biology。截止至2023年8月,嘉因已累计协助客户发表CUT&Tag文章78篇,总影响因子超过600分,包括Nature Genetics, Signal Transduction and Targeted Therapy, Cell Discovery 等顶尖杂志。   

优势二 嘉因生物8年来,积累了超过300种的成功实验抗体库,向老师们推荐高成功率的转录因子抗体和组蛋白修饰抗体。CUT&Tag项目进行高标准交付(人的经典DNA结合蛋白,MACS2 Q-value= 0.05下至少500个peak)。   

优势三 延续嘉因生物5年来的ATAC-seq的丰富提核经验,针对各种组织器官类型的CUT&Tag项目的提核更得心应手。嘉因已完成1500+例CUT&Tag实验,涉及到的物种和组织器官组合200+。   

优势四 生信分析售后团队可以完成各类CUT&Tag定制化分析。
















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嘉因生物-CUT&Tag客户文章(节选)
















04
嘉因生物-CUT&Tag热点追踪与往期回顾

组蛋白乳酸化研究切入点(上)——乳酸化水平检测方法及指标

组蛋白乳酸化研究切入点(中)——乳酸自身的检测方法及指标

组蛋白乳酸化研究切入点(下)-乳酸代谢异常指标的检测方法

Nature Genetics │IF 41.037│嘉因生物CUT&Tag和ATACseq助力核酸甲基化转录调控研究

关于motif和findMotifs文件夹的那些事

嘉因生物CUT&Tag/ATACseq/MeRIPseq Nature Genetics客户文章|seRNA-m6A影响癌基因

The Plant Cell │嘉因生物ATAC-Seq和CUT&Tag助力植物精细胞命运决定调控机制研究

客户文章速递:IF 8.754 l CUT&Tag助力非酒精性脂肪肝研究

IF 18.187|嘉因生物CUT&Tag和RNAseq助力间充质干细胞治疗心肌梗死研究

















05
嘉因生物-技术贴小合集

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CUT&Tag专题

ATAC-seq和scATAC-seq专题

Circle-seq(环状DNA)专题

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