Nature Cell Biology丨揭示DNA双链断裂处的RNA:DNA杂交体如何形成及其作用

摘要：DNA双链断裂（DSB）是细胞中最严重的 DNA 损伤形式之一，可能导致基因组不稳定、突变甚至癌症。为了修复这些断裂，细胞依赖两种主要途径：同源重组（HR）和非同源末端连接（NHEJ）。近年来，研究发现 RNA 在 DSB 修复中扮演了关键角色，尤其是 RNA

撰文| Qi

DNA双链断裂（DSB）是细胞中最严重的 DNA 损伤形式之一，可能导致基因组不稳定、突变甚至癌症。为了修复这些断裂，细胞依赖两种主要途径：同源重组（HR）和非同源末端连接（NHEJ）。近年来，研究发现 RNA 在 DSB 修复中扮演了关键角色，尤其是 RNA:DNA 杂交体（ R-loops ）的形成【1-3】。这些结构由一条 RNA 链与一条 DNA 单链杂交而成，通常出现在转录活跃的基因组区域。然而， RNA:DNA 杂交体在 DSB 位点的积累机制尚不明确。过去的研究认为， RNA 聚合酶 II （ RNAPII ）或 RNA 聚合酶 III （ RNAPIII ）可能在断裂位点重新招募，并启动新的转录，从而形成 RNA:DNA 杂交体【4】。但这一假说缺乏直接证据。此外， DSB 发生后，断裂位点附近的转录通常会被抑制，这与 RNA 聚合酶重新招募的假设似乎矛盾。

2025 年 5 月 30 日，来自法国图卢兹大学的Gaëlle Legube团队在Nature Cell Biology杂志上合作发表了一篇题为Transcriptional repression facilitates RNA:DNA hybrid accumulation at DNA double-strand breaks的文章，他们通过高分辨率测序技术（ ChIP-seq 、 qDRIP-seq 、 TTchem-seq 等）系统地分析了RNA聚合酶在DSB位点的动态变化，揭示了DSB修复过程中RNA:DNA杂交体的形成机制。

为了探究 RNA 聚合酶是否在 DSB 位点重新招募，该团队利用 ChIP-seq 和 ChIP-qPCR 分析了 RNAPII 和 RNAPIII 在 80 个 AsISI 诱导的 DSB 位点的分布。结果显示 RNAPII 未在 DSB 位点富集，无论是转录活跃的 DSB （ TC-DSB ）还是沉默的 DSB ， RNAPII 信号均未增加。与 RNAPII 类似， RNAPIII 同样未被招募，仅在 tRNA 基因等典型位点富集，而未在 DSB 位点积累。 CRISPR/Cas9 和依托泊苷诱导的 DSB 也未见 RNA 聚合酶招募。这些发现表明RNA:DNA杂交体的形成不依赖于RNA聚合酶在DSB位点的重新招募。

为了探究 RNA:DNA 杂交体是否来自断裂位点的新转录，他们采用 TTchem-seq （检测新生 RNA ）分析 DSB 位点的转录活性。结果显示 DSB 位点无新生 RNA 信号，与未断裂位点相比， DSB 位点的 TTchem-seq 信号未增加，反而因转录抑制而降低， RNAPII 延伸速度未显著变化，说明 RNA:DNA 杂交体的 RNA 成分并非来自断裂位点的新转录。

那么 DSB 位点的 RNA:DNA 杂交体是如何形成的呢？通过 qDRIP-seq （定量检测 RNA:DNA 杂交体），他们发现RNA:DNA杂交体主要出现在转录活跃的DSB位点，沉默DSB位点几乎无杂交体积累。杂交体形成于 DNA 单链切除后的 3' 悬端，切除起始是杂交体形成的关键，如果抑制切除起始因子（如 CtIP 或 MRE11 ）将会减少杂交体积累。此外，他们发现DSB诱导的转录抑制是RNA:DNA杂交体积累的关键因素。ATM 抑制剂减少杂交体积累， ATM 依赖的转录抑制被破坏后，杂交体水平下降， PAF1 和 SPIN1 调控转录抑制， PAF1 复合物和 H3K4me3 阅读蛋白 SPIN1 在 DSB 位点富集，促进转录暂停和 RNA 滞留。转录抑制导致 RNA 滞留，即断裂位点的 RNA 无法正常释放，转而与 DNA 单链杂交，表明 DSB 诱导的转录抑制通过滞留 RNA 促进 RNA:DNA 杂交体形成。

DSB 位点形成的 RNA:DNA 杂交体有什么作用呢？该团队发现杂交体可能通过稳定单链DNA促进RPA和RAD51的加载，促进短程切除，但长期滞留有害，若未被 RNA:DNA 解旋酶（如 SETX ）清除，杂交体会阻碍修复并增加基因组不稳定性。这些发现表明 RNA:DNA 杂交体是修复的 “ 双刃剑 ” ，需被精确调控。

综上，这项工作揭示了RNA:DNA杂交体在DSB修复中的形成机制，挑战了“RNA聚合酶在断裂位点启动新转录”的传统观点，并揭示了转录抑制在RNA:DNA杂交体形成中的关键作用。

制版人：十一

参考文献

1. Bader, A. S., Hawley, B. R., Wilczynska, A. & Bushell, M. The roles of RNA in DNA double-strand break repair.Br. J. Cancer122, 613 – 623 (2020).

2. G ó mez-Gonz á lez, B. & Aguilera, A. Break-induced RNA-DNA hybrids (BIRDHs) in homologous recombination: friend or foe? EMBO Rep. 24, e57801 (2023). 4. Marnef, A. & Legube, G. R-loops as Janus-faced modulators of DNA repair.Nat. Cell Biol.23, 305 – 313 (2021).

3. Liu, S. et al. RNA polymerase III is required for the repair of DNA double-strand breaks by homologous recombination.Cell184, 1314 – 1329.e10 (2021).

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