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这篇综述聚焦于 R 环（R-loops）与神经退行性疾病（NDDs）。文中探讨 R 环如何影响 NDDs 的病理机制，涉及转录异常、DNA 损伤等多个方面，还阐述了其作为治疗靶点的潜力，为相关研究提供了全面且有价值的参考。
R 环在神经退行性疾病中的作用
神经退行性疾病（NDDs）是一类与神经元进行性丧失相关的疾病，其病理机制复杂，涉及多个方面。近年来，R 环在 NDDs 中的作用逐渐受到关注。R 环是转录过程中形成的非经典核酸结构，由 RNA/DNA 杂交链和一条单链 DNA（ssDNA）组成，它在细胞过程中具有重要调节作用，但也与多种疾病的病理相关。
神经退行性疾病的特征
NDDs 具有八个主要特征：蛋白质聚集、突触和神经元网络功能障碍、蛋白质稳态异常、细胞骨架异常、能量稳态改变、DNA 和 RNA 缺陷、炎症以及神经元细胞死亡。这些特征相互关联，表明神经元的脆弱性源于多种病理特征的组合。NDDs 的病理大多与非分裂神经元细胞相关，凸显了转录过程在疾病机制中的重要性。R 环作为转录的常见中间产物，与多种 NDDs 的病理有关，如重复序列扩增、运动神经元疾病、神经炎症和衰老相关疾病等。
R 环相关的神经退行性疾病过程
- R 环与转录：R 环的失调会引发一系列转录变化，进而导致神经退行性疾病。在 Friedreich 共济失调（FRDA）、脆性 X 综合征（FXS）和 C9orf72 相关的肌萎缩侧索硬化症（ALS）等疾病中，R 环会在扩增的重复序列上积累，抑制转录。例如，在 FRDA 中，R 环在 FXN 基因的 GAA 重复序列处积累，导致转录起始和延伸缺陷，以及 RNA 聚合酶 II（Pol II）提前终止；在 FXS 中，R 环促进 FMR1 基因沉默。
R 环还会影响剪接过程。富含 CG 的重复序列扩增会导致内含子保留，干扰 R 环形成的反义寡核苷酸（ASOs）可改变 FXN 转录本的剪接。此外，R 环可作为反义转录的启动子，但其具体机制有待进一步研究。同时，R 环能够启动表观遗传基因沉默，在 FRDA 和 FXS 中，R 环的形成分别促进了 FXN 和 FMR1 基因的沉默。除了在重复序列处形成，R 环在 NDDs 中还会因 R 环相关因子的突变而在全基因组范围内失调，影响全局转录，进而导致突触和神经元网络功能障碍。
- R 环与重复序列不稳定性：超过 50 种 NDDs 由重复 DNA 序列的扩增引起，转录过程中 R 环的形成会增加重复序列的不稳定性，导致其扩张或收缩，促进神经退行性变。在大肠杆菌和分裂细胞中，R 环会使 CAG 重复序列不稳定，缺乏 RNase H 会进一步促进收缩。R 环驱动重复序列不稳定性的机制包括：暴露的 ssDNA 易被胞嘧啶脱氨酶作用发生脱氨，或受到氧化应激和核酸酶的作用，核酸酶产生的 DNA 切口在修复过程中可能导致重复区域的扩张或收缩；ssDNA 还容易形成非经典 DNA 结构，影响核酸酶的招募和修复效率。
- R 环作为 DNA 损伤和基因组不稳定的来源：细胞有多种机制来调节 R 环的形成和分解，以防止 DNA 损伤。然而，在 NDDs 中，多个 R 环调节因子的突变与 R 环相关的 DNA 损伤增加有关，如 SETX、RNase H2、FUS 和 TDP-43 等。R 环促进 DNA 损伤的机制主要有以下几种：R 环积累、Pol II 动力学改变和停滞会导致转录应激和 DNA 断裂；暴露的 ssDNA 易受到 DNA 修饰酶和核酸酶的作用，产生 DNA 切口并进一步形成双链断裂（DSBs） ；在转录 - 复制冲突（TRC）区域，R 环会阻碍复制叉的前进，导致复制应激和 DNA 损伤。此外，R 环也可在 DNA 损伤后形成，影响 DNA 修复过程，它能激活 ATR 和 ATM 来协调 DNA 损伤反应（DDR） ，但 R 环如何参与 DSB 修复以及为何其驱动的 DSB 对神经元特别有害，仍有待进一步研究。
- R 环、神经炎症和细胞死亡：R 环被认为是炎症的驱动因素。细胞中 R 环稳态的失调会导致 R 环副产物（如 RNA/DNA 杂交链或 ssDNA）的形成和细胞质释放，从而触发神经退行性疾病中的炎症反应。在自身免疫性疾病 Aicardi-Goutières 综合征（AGS）中，RNase H2 突变导致 R 环积累，激活 cGAS/STING 和 NLRP3 炎性小体信号通路；在 Alzheimer 病中，转座子元件（TEs）的异常激活导致细胞质 RNA/DNA 杂交链积累，激活 cGAS-STING 途径和凋亡信号。尽管对 R 环在先天免疫中的作用了解尚少，但通过降解 R 环来减轻炎症，为治疗包括 NDDs 在内的多种疾病提供了潜在途径。
- R 环在相分离和蛋白质聚集中的作用：蛋白质的液 - 液相分离（LLPS）和聚集平衡对细胞功能至关重要，NDDs 相关蛋白质常含有促进 LLPS 和凝聚物形成的内在无序区域（IDRs）。R 环蛋白质组富含 IDR 的蛋白质，可通过 LLPS 形成无膜 R 环焦点，对协调 R 环相关过程至关重要。例如，脆性 X 智力低下蛋白（FMRP）的 C 末端 IDR 含有主要的 R 环结合位点，可能影响 R 环处理。
R 环调节因子的突变会导致蛋白质聚集。在 ATM 突变的细胞和脑组织中，转录活性增加会提高活性氧（ROS） 、RNA/DNA 杂交链和 ssDNA 断裂的水平，激活 PARP 酶，产生聚（ADP - 核糖）（PAR） ，驱动蛋白质聚集；SETX 缺失会导致核仁非编码 RNA（ncRNA）积累，形成 R 环，导致蛋白质错误折叠和聚集。此外，NDDs 中 R 环失调还与蛋白质稳态和自噬改变有关，如在 C9orf72 相关疾病模型中，R 环增加会导致 p62 积累。
- R 环、活性氧和线粒体功能障碍：神经元细胞的高代谢需求使得线粒体功能障碍成为 NDDs 的常见特征。线粒体功能障碍会产生有害水平的 ROS，而 R 环既容易受到 ROS 损伤，也可由 ROS 诱导形成。ROS 诱导的 8 - 氧代鸟嘌呤（8-oxoG）会影响 R 环处理，如阻碍 RNase H1 与线粒体 DNA（mtDNA）中 R 环的结合，导致 R 环积累；同时，8-oxoG 会增加 BER 酶与 R 环的结合，可能导致异常处理。
生理状态下，R 环在 mtDNA 复制中起重要作用，其失调会损害复制，导致 mtDNA 不稳定。例如，RNase H1 突变会影响 mtDNA 分离和线粒体形态；RECQ4 突变会导致线粒体 R 环积累，减少线粒体能量产生。在 AOA2 中，SETX 缺失会导致核和线粒体 R 环积累以及 ROS 增加，表明 R 环可能促进氧化应激和线粒体功能障碍，进而导致炎症。
R 环的治疗潜力
开发针对神经退行性疾病的有效治疗方法是一项持续的挑战，而靶向与多种神经退行性特征相关的 R 环具有潜在的治疗应用价值。ASOs 可以与扩增的重复序列结合，竞争 R 环结构，从而降低 R 环水平并增加相关基因的表达，如在 FRDA 中，ASOs 可降低 R 环水平并增加 FXN 表达；在脆性 X 相关震颤 / 共济失调综合征中，针对 FMR1 基因 CGG 扩增的 ASOs 可改善疾病表型。
CRISPR-Cas9 系统可用于靶向特定位点的 R 环，将 RNase H1 与 dCas9 连接可实现对核糖体 RNA 转录相关 R 环的位点特异性抑制，但该疗法在患者中的递送仍存在限制。调节转录延伸速率也可影响 R 环的形成，在 FRDA 中，合成转录延伸因子（synTEF）可通过招募 BRD4 来重新激活 FXN 表达。此外，诱导 R 环形成可促进某些疾病中的重复序列收缩，如在 FXS 中，局部 FMR1 R 环可促进重复序列收缩和 FMR1 转录的重新激活，但需要谨慎考虑 R 环动力学以确定治疗窗口。靶向 R 环核酸酶或影响 R 环稳定性的小分子也可能是有效的治疗策略，同时，干扰病理 R 环积累的下游过程，如阻断细胞质中 R 环衍生物的识别，也具有治疗潜力。由于 NDDs 的病理复杂且相互关联，R 环导向的疗法与其他药物联合使用可能会更有效。
未来展望
NDDs 具有多种分子特征，R 环在其中许多过程中起着核心作用。尽管对生理 R 环的作用和调节的研究不断取得进展，但对病理 R 环在神经退行性疾病中的精确机制仍缺乏深入了解。开发新的模型以专门研究神经元细胞中 R 环相关机制至关重要，同时，多靶点疗法可能是治疗 NDDs 的必要手段，R 环是一个有前景的新靶点。进一步开发位点特异性 R 环操纵方法以减少脱靶效应也很有必要。此外，R 环和 RNA/DNA 杂交链因其热力学稳定性，有望成为监测疾病进展和治疗效果的强大生物标志物，但需要建立可靠的体内检测试剂和方法。未来对 R 环的研究有望对神经退行性疾病的理解产生重大影响。
