編輯推薦：
這篇綜述聚焦于 R 環（R-loops）與神經退行性疾�。∟DDs）。文中探討 R 環如何影響 NDDs 的病理機制，涉及轉錄異常、DNA 損傷等多個方面，還闡述了其作為治療靶點的潛力，為相關研究提供了全面且有價值的參考。
R 環在神經退行性疾病中的作用
神經退行性疾�。∟DDs）是一類與神經元進行性喪失相關的疾病，其病理機制復雜，涉及多個方面。近年來，R 環在 NDDs 中的作用逐漸受到關注。R 環是轉錄過程中形成的非經典核酸結構，由 RNA/DNA 雜交鏈和一條單鏈 DNA（ssDNA）組成，它在細胞過程中具有重要調節作用，但也與多種疾病的病理相關。
神經退行性疾病的特征
NDDs 具有八個主要特征：蛋白質聚集、突觸和神經元網絡功能障礙、蛋白質穩態異常、細胞骨架異常、能量穩態改變、DNA 和 RNA 缺陷、炎癥以及神經元細胞死亡。這些特征相互關聯，表明神經元的脆弱性源于多種病理特征的組合。NDDs 的病理大多與非分裂神經元細胞相關，凸顯了轉錄過程在疾病機制中的重要性。R 環作為轉錄的常見中間產物，與多種 NDDs 的病理有關，如重復序列擴增、運動神經元疾病、神經炎癥和衰老相關疾病等。
R 環相關的神經退行性疾病過程
- R 環與轉錄：R 環的失調會引發一系列轉錄變化，進而導致神經退行性疾病。在 Friedreich 共濟失調（FRDA）、脆性 X 綜合征（FXS）和 C9orf72 相關的肌萎縮側索硬化癥（ALS）等疾病中，R 環會在擴增的重復序列上積累，抑制轉錄。例如，在 FRDA 中，R 環在 FXN 基因的 GAA 重復序列處積累，導致轉錄起始和延伸缺陷，以及 RNA 聚合酶 II（Pol II）提前終止；在 FXS 中，R 環促進 FMR1 基因沉默。
R 環還會影響剪接過程。富含 CG 的重復序列擴增會導致內含子保留，干擾 R 環形成的反義寡核苷酸（ASOs）可改變 FXN 轉錄本的剪接。此外，R 環可作為反義轉錄的啟動子，但其具體機制有待進一步研究。同時，R 環能夠啟動表觀遺傳基因沉默，在 FRDA 和 FXS 中，R 環的形成分別促進了 FXN 和 FMR1 基因的沉默。除了在重復序列處形成，R 環在 NDDs 中還會因 R 環相關因子的突變而在全基因組范圍內失調，影響全局轉錄，進而導致突觸和神經元網絡功能障礙。
- R 環與重復序列不穩定性：超過 50 種 NDDs 由重復 DNA 序列的擴增引起，轉錄過程中 R 環的形成會增加重復序列的不穩定性，導致其擴張或收縮，促進神經退行性變。在大腸桿菌和分裂細胞中，R 環會使 CAG 重復序列不穩定，缺乏 RNase H 會進一步促進收縮。R 環驅動重復序列不穩定性的機制包括：暴露的 ssDNA 易被胞嘧啶脫氨酶作用發生脫氨，或受到氧化應激和核酸酶的作用，核酸酶產生的 DNA 切口在修復過程中可能導致重復區域的擴張或收縮；ssDNA 還容易形成非經典 DNA 結構，影響核酸酶的招募和修復效率。
- R 環作為 DNA 損傷和基因組不穩定的來源：細胞有多種機制來調節 R 環的形成和分解，以防止 DNA 損傷。然而，在 NDDs 中，多個 R 環調節因子的突變與 R 環相關的 DNA 損傷增加有關，如 SETX、RNase H2、FUS 和 TDP-43 等。R 環促進 DNA 損傷的機制主要有以下幾種：R 環積累、Pol II 動力學改變和停滯會導致轉錄應激和 DNA 斷裂；暴露的 ssDNA 易受到 DNA 修飾酶和核酸酶的作用，產生 DNA 切口并進一步形成雙鏈斷裂（DSBs） ；在轉錄 - 復制沖突（TRC）區域，R 環會阻礙復制叉的前進，導致復制應激和 DNA 損傷。此外，R 環也可在 DNA 損傷后形成，影響 DNA 修復過程，它能激活 ATR 和 ATM 來協調 DNA 損傷反應（DDR） ，但 R 環如何參與 DSB 修復以及為何其驅動的 DSB 對神經元特別有害，仍有待進一步研究。
- R 環、神經炎癥和細胞死亡：R 環被認為是炎癥的驅動因素。細胞中 R 環穩態的失調會導致 R 環副產物（如 RNA/DNA 雜交鏈或 ssDNA）的形成和細胞質釋放，從而觸發神經退行性疾病中的炎癥反應。在自身免疫性疾病 Aicardi-Goutières 綜合征（AGS）中，RNase H2 突變導致 R 環積累，激活 cGAS/STING 和 NLRP3 炎性小體信號通路；在 Alzheimer 病中，轉座子元件（TEs）的異常激活導致細胞質 RNA/DNA 雜交鏈積累，激活 cGAS-STING 途徑和凋亡信號。盡管對 R 環在先天免疫中的作用了解尚少，但通過降解 R 環來減輕炎癥，為治療包括 NDDs 在內的多種疾病提供了潛在途徑。
- R 環在相分離和蛋白質聚集中的作用：蛋白質的液 - 液相分離（LLPS）和聚集平衡對細胞功能至關重要，NDDs 相關蛋白質常含有促進 LLPS 和凝聚物形成的內在無序區域（IDRs）。R 環蛋白質組富含 IDR 的蛋白質，可通過 LLPS 形成無膜 R 環焦點，對協調 R 環相關過程至關重要。例如，脆性 X 智力低下蛋白（FMRP）的 C 末端 IDR 含有主要的 R 環結合位點，可能影響 R 環處理。
R 環調節因子的突變會導致蛋白質聚集。在 ATM 突變的細胞和腦組織中，轉錄活性增加會提高活性氧（ROS） 、RNA/DNA 雜交鏈和 ssDNA 斷裂的水平，激活 PARP 酶，產生聚（ADP - 核糖）（PAR） ，驅動蛋白質聚集；SETX 缺失會導致核仁非編碼 RNA（ncRNA）積累，形成 R 環，導致蛋白質錯誤折疊和聚集。此外，NDDs 中 R 環失調還與蛋白質穩態和自噬改變有關，如在 C9orf72 相關疾病模型中，R 環增加會導致 p62 積累。
- R 環、活性氧和線粒體功能障礙：神經元細胞的高代謝需求使得線粒體功能障礙成為 NDDs 的常見特征。線粒體功能障礙會產生有害水平的 ROS，而 R 環既容易受到 ROS 損傷，也可由 ROS 誘導形成。ROS 誘導的 8 - 氧代鳥嘌呤（8-oxoG）會影響 R 環處理，如阻礙 RNase H1 與線粒體 DNA（mtDNA）中 R 環的結合，導致 R 環積累；同時，8-oxoG 會增加 BER 酶與 R 環的結合，可能導致異常處理。
生理狀態下，R 環在 mtDNA 復制中起重要作用，其失調會損害復制，導致 mtDNA 不穩定。例如，RNase H1 突變會影響 mtDNA 分離和線粒體形態；RECQ4 突變會導致線粒體 R 環積累，減少線粒體能量產生。在 AOA2 中，SETX 缺失會導致核和線粒體 R 環積累以及 ROS 增加，表明 R 環可能促進氧化應激和線粒體功能障礙，進而導致炎癥。
R 環的治療潛力
開發針對神經退行性疾病的有效治療方法是一項持續的挑戰，而靶向與多種神經退行性特征相關的 R 環具有潛在的治療應用價值。ASOs 可以與擴增的重復序列結合，競爭 R 環結構，從而降低 R 環水平并增加相關基因的表達，如在 FRDA 中，ASOs 可降低 R 環水平并增加 FXN 表達；在脆性 X 相關震顫 / 共濟失調綜合征中，針對 FMR1 基因 CGG 擴增的 ASOs 可改善疾病表型。
CRISPR-Cas9 系統可用于靶向特定位點的 R 環，將 RNase H1 與 dCas9 連接可實現對核糖體 RNA 轉錄相關 R 環的位點特異性抑制，但該療法在患者中的遞送仍存在限制。調節轉錄延伸速率也可影響 R 環的形成，在 FRDA 中，合成轉錄延伸因子（synTEF）可通過招募 BRD4 來重新激活 FXN 表達。此外，誘導 R 環形成可促進某些疾病中的重復序列收縮，如在 FXS 中，局部 FMR1 R 環可促進重復序列收縮和 FMR1 轉錄的重新激活，但需要謹慎考慮 R 環動力學以確定治療窗口。靶向 R 環核酸酶或影響 R 環穩定性的小分子也可能是有效的治療策略，同時，干擾病理 R 環積累的下游過程，如阻斷細胞質中 R 環衍生物的識別，也具有治療潛力。由于 NDDs 的病理復雜且相互關聯，R 環導向的療法與其他藥物聯合使用可能會更有效。
未來展望
NDDs 具有多種分子特征，R 環在其中許多過程中起著核心作用。盡管對生理 R 環的作用和調節的研究不斷取得進展，但對病理 R 環在神經退行性疾病中的精確機制仍缺乏深入了解。開發新的模型以專門研究神經元細胞中 R 環相關機制至關重要，同時，多靶點療法可能是治療 NDDs 的必要手段，R 環是一個有前景的新靶點。進一步開發位點特異性 R 環操縱方法以減少脫靶效應也很有必要。此外，R 環和 RNA/DNA 雜交鏈因其熱力學穩定性，有望成為監測疾病進展和治療效果的強大生物標志物，但需要建立可靠的體內檢測試劑和方法。未來對 R 環的研究有望對神經退行性疾病的理解產生重大影響。
