北京時間 2017 年 9 月 23 日凌晨，孫前文研究組在植物學*期刊《植物細胞》(The Plant Cell) 在線發表題為“RNase H1 與 DNA 解旋酶協作以限制擬南芥葉綠體 R -loop 水平并且維持基因組穩定性（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構，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現穩定存在的 R -loop 結構，并且越來越多研究表明 R -loop 的積累與許多人類疾病有關，例如神經變性疾病，核苷酸擴增疾病以及癌癥等。R-loop 的清除受多種因素調節，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 結構的主要因子之一。目前對植物中 R -loop 調控以及相關功能的研究還非常少，尤其植物半自主細胞器如葉綠體中 R -loop 的存在和功能尚屬未知。葉綠體被譽為植物的“養料制造車間”，它的正常運轉基于其基因組的穩定性。早在上世紀八十年代鄧興旺博士就發現菠菜葉綠體基因組可以自發降解的現象（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），發現該蛋白可以調節葉綠體中 R -loop 水平的變化，從而維持基因組的穩定性和發育（圖 1）；后續分析揭示 AtRNH1C 可以與 DNA 解旋酶協作來解除葉綠體基因組 rDNA 區轉錄與復制時發生迎面（Head-on）對撞，從而減少 DNA 的損傷（圖 2）。當 AtRNH1C 和 DNA 解旋酶的活性減弱或缺失時，R-loop 就會在 rDNA 區大量積累，同時 DNA 復制受阻，導致轉錄與 DNA 復制叉發生迎面（Head-on）對撞并破壞葉綠體基因組的穩定性（圖 2）。這一發現詳細地解釋了葉綠體如何抵抗基因組不穩定性，也將加深我們對真核生物細胞中其它半自主細胞器（如線粒體）基因組組成的認識，并有望為治療某些線粒體基因組穩定性異常而導致的人類疾病提供理論依據。

孫前文研究組重點關注植物 R -loop 的形成、穩定和解除的調節機制及相應的生物學功能，本研究是繼報道 R -loop 調節長非編碼 RNA 表達并影響擬南芥開花（Science, 2013）、調控水稻根的向地性（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自主科研計劃（青年教師基礎研究專項）和*國家重點研發計劃的資助，其它支持經費來源還包括國家自然科學基金委、生命科學聯合中心等。侯全璨博士受到清華大學博士后支持計劃的資助。清華大學生物醫學測試中心蛋白化學平臺在本研究中的質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 對葉綠體的發育，R-loop 水平以及基因組的穩定性至關重要。

A：AtRNH1C 基因突變后嚴重影響葉綠體發育。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：脈沖電泳分析發現 atrnh1c 突變體中葉綠體基因組穩定性明顯降低。

圖 2：AtRNH1C 和 AtGyrases 協作以解除葉綠體基因組中高轉錄與高復制區域發生的迎面（Head-on）對撞從而維持基因組穩定。當 AtRNH1C 失活或 AtGyrases 活性被抑制后，高轉錄與高復制區域的迎面（Head-on）對撞無法解除，從而導致基因組穩定性降低。