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Ein '''R-Loop''' ist eine dreisträngige [[Nukleinsäure]]-Struktur, die aus einem DNA:[[RNA]]-Hybrid und der zugehörigen einzelsträngigen, nicht übersetzten [[DNA]] besteht. R-Loops können unter verschiedenen Umständen gebildet werden und von zellulären Komponenten toleriert oder freigegeben werden. Der Begriff "R-Loop" wurde verwendet, um die Ähnlichkeit dieser Strukturen mit [[D-Loop]]s widerzuspiegeln; das "R" stellt in diesem Fall die Beteiligung einer RNA-Einheit dar.

Im Labor können R-Loops auch durch Hybridisierung reifer [[mRNA]] mit doppelsträngiger DNA unter Bedingungen erzeugt werden, die die Bildung eines DNA-RNA-Hybrids begünstigen; in diesem Fall bilden die [[Intron]]bereiche (die aus der mRNA herausgespleißt wurden) einzelsträngige Schleifen, da sie nicht mit komplementärer Sequenz in der mRNA hybridisieren können.

== Geschichte ==
[[Datei:R loop.jpg|rechts|mini|500x500px|Die Illustration zeigt, wie ein DNA-mRNA-Hybrid R-Loops in den Bereichen bildet, in denen Introns durch Spleißen von Exons entfernt wurden.]]
Der R-Loop-Mechanismus wurde erstmals 1976 beschrieben.<ref>{{Cite journal|title=Hybridization of RNA to double-stranded DNA: formation of R-loops|journal=Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America|volume=73|issue=7|pages=2294–8|date=Juli 1976|pmid=781674|pmc=430535|doi=10.1073/pnas.73.7.2294|bibcode=1976PNAS...73.2294T}}</ref> Unabhängige Studien von R-Loops der Laboren von Richard J. Roberts und Phillip A. Sharp zeigten, dass ein Protein, das Adenovirus-Gene kodiert, DNA-Sequenzen enthielt, die in der reifen mRNA nicht vorhanden waren.<ref>{{Literatur |Autor=Susan M. Berget, Claire Moore, Phillip A. Sharp |Titel=Spliced segments at the 5′ terminus of adenovirus 2 late mRNA |Sammelwerk=Proceedings of the National Academy of Sciences |Band=74 |Nummer=8 |Datum=1977-08 |ISSN=0027-8424 |DOI=10.1073/pnas.74.8.3171 |PMC=431482 |PMID=269380 |Seiten=3171–3175 |Online=http://www.pnas.org/lookup/doi/10.1073/pnas.74.8.3171 |Abruf=2019-09-22}}</ref><ref>{{Cite journal|title=An amazing sequence arrangement at the 5' ends of adenovirus 2 messenger RNA|journal=Cell|volume=12|issue=1|pages=1–8|date=September 1977|pmid=902310|doi=10.1016/0092-8674(77)90180-5}}</ref> Roberts und Sharp erhielten 1993 den Nobelpreis für die unabhängige Entdeckung von Introns. Nach ihrer Entdeckung im Adenovirus wurden Introns in einer Reihe von eukaryontischen Genen gefunden, wie dem eukaryontischen [[Ovalbumin]]-Gen (zuerst vom O'Malley-Labor, dann von anderen Gruppen bestätigt),<ref>{{Literatur |Autor=E. C. Lai, S. L. Woo, A. Dugaiczyk, J. F. Catterall, B. W. O'Malley |Titel=The ovalbumin gene: structural sequences in native chicken DNA are not contiguous. |Sammelwerk=Proceedings of the National Academy of Sciences |Band=75 |Nummer=5 |Datum=1978-05-01 |ISSN=0027-8424 |DOI=10.1073/pnas.75.5.2205 |PMC=392520 |PMID=276861 |Seiten=2205–2209 |Online=http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.75.5.2205 |Abruf=2019-09-22}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=K. O'Hare, R. Breathnach, C. Benoist, P. Chambon |Titel=No more than seven interruptions in the ovalbumin gene: comparison of genomic and double-stranded cDNA sequences |Sammelwerk=Nucleic Acids Research |Band=7 |Nummer=2 |Datum=1979 |ISSN=0305-1048 |DOI=10.1093/nar/7.2.321 |PMC=328020 |PMID=493147 |Seiten=321–334 |Online=https://academic.oup.com/nar/article-lookup/doi/10.1093/nar/7.2.321 |Abruf=2019-09-22}}</ref> Hexon-DNA<ref name="cech">{{Literatur |Autor=T. R. Cech, D. C. Rio |Titel=Localization of transcribed regions on extrachromosomal ribosomal RNA genes of Tetrahymena thermophila by R-loop mapping. |Sammelwerk=Proceedings of the National Academy of Sciences |Band=76 |Nummer=10 |Datum=1979-10-01 |ISSN=0027-8424 |DOI=10.1073/pnas.76.10.5051 |PMC=413077 |PMID=291921 |Seiten=5051–5055 |Online=http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.76.10.5051 |Abruf=2019-09-22}}</ref> und extrachromosomalen rRNA-Genen von [[Tetrahymena|Tetrahymena thermophila]].<ref name="cech" />

Mitte der 80er Jahre öffnete die Entwicklung eines Antikörpers, der spezifisch an die R-Loop-Struktur bindet, die Tür für Immunfluoreszenzstudien sowie die genomweite Charakterisierung der R-Schleifenbildung durch [[DRIP-Seq]].<ref>{{Literatur |Autor=Sophie J. Boguslawski, Dennis E. Smith, Mary A. Michalak, Kenneth E. Mickelson, Clifford O. Yehle |Titel=Characterization of monoclonal antibody to DNA · RNA and its application to immunodetection of hybrids |Sammelwerk=Journal of Immunological Methods |Band=89 |Nummer=1 |Datum=1986-05 |DOI=10.1016/0022-1759(86)90040-2 |Seiten=123–130 |Online=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/0022175986900402 |Abruf=2019-09-22}}</ref>

== R-loop Mapping ==
R-Loop-Mapping ist eine Labortechnik zur Unterscheidung von Introns und Exons in doppelsträngiger DNA.<ref>{{Literatur |Autor=John L. Woolford, Michael Rosbash |Titel=The use of R-looping for structural gene identification and mRNA purification |Sammelwerk=Nucleic Acids Research |Band=6 |Nummer=7 |Datum=1979 |ISSN=0305-1048 |DOI=10.1093/nar/6.7.2483 |PMC=327867 |PMID=379820 |Seiten=2483–2497 |Online=https://academic.oup.com/nar/article-lookup/doi/10.1093/nar/6.7.2483 |Abruf=2019-09-22}}</ref> Diese R-Loops werden elektronenmikroskopisch visualisiert und zeigen Intronbereiche der DNA, indem sie ungebundene Schleifen an diesen Bereichen erzeugen.<ref>King RC, Stansfield WD, Mulligan PK (2007). ''A Dictionary of Genetics''. Oxford University Press 7.</ref>

== R-loops ''in vivo'' ==
Das Potenzial von R-Loops als [[Primer]] für die Replikation wurde 1980 demonstriert.<ref>{{Literatur |Autor=T. Itoh, J. Tomizawa |Titel=Formation of an RNA primer for initiation of replication of ColE1 DNA by ribonuclease H. |Sammelwerk=Proceedings of the National Academy of Sciences |Band=77 |Nummer=5 |Datum=1980-05-01 |ISSN=0027-8424 |DOI=10.1073/pnas.77.5.2450 |PMC=349417 |PMID=6156450 |Seiten=2450–2454 |Online=http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.77.5.2450 |Abruf=2019-09-22}}</ref> 1994 wurde nachgewiesen, dass R-Loops in vivo vorhanden sind. Hierbei wurden [[Plasmid]]e analysiert, die aus E. coli-Mutanten isoliert wurden, die Mutationen in der Topoisomerase<ref>{{Literatur |Autor=M. Drolet, X. Bi, L. F. Liu |Titel=Hypernegative supercoiling of the DNA template during transcription elongation in vitro |Sammelwerk=The Journal of Biological Chemistry |Band=269 |Nummer=3 |Datum=1994-01-21 |ISSN=0021-9258 |PMID=8294458 |Seiten=2068–2074 }}</ref> tragen. Diese Entdeckung endogener R-Loops in Verbindung mit den rasanten Fortschritten in der genetischen Sequenzierungstechnologie hat in den frühen 2000er Jahren zu einer Blütezeit der R-Loop-Forschung geführt, die bis heute anhält.<ref name="groh">{{Literatur |Autor=Matthias Groh, Natalia Gromak |Titel=Out of Balance: R-loops in Human Disease |Sammelwerk=PLoS Genetics |Band=10 |Nummer=9 |Datum=2014-09-18 |ISSN=1553-7404 |DOI=10.1371/journal.pgen.1004630 |PMC=4169248 |PMID=25233079 |Seiten=e1004630 |Online=https://dx.plos.org/10.1371/journal.pgen.1004630 |Abruf=2019-09-22}}</ref>

=== Regelung der R-Loop-Bildung und -auflösung ===
[[RNase H|RNase-H]]-Enzyme sind die wichtigsten Proteine, die für die Auflösung von R-Loops verantwortlich sind und den RNA-Teil abbauen, um die beiden komplementären DNA-Stränge hybridisieren zu lassen.<ref>{{Literatur |Autor=Susana M. Cerritelli, Robert J. Crouch |Titel=Ribonuclease H: the enzymes in eukaryotes: Ribonucleases H of eukaryotes |Sammelwerk=FEBS Journal |Band=276 |Nummer=6 |Datum=2009-03 |DOI=10.1111/j.1742-4658.2009.06908.x |PMC=2746905 |PMID=19228196 |Seiten=1494–1505 |Online=http://doi.wiley.com/10.1111/j.1742-4658.2009.06908.x |Abruf=2019-09-22}}</ref> Die Forschung in den letzten zehn Jahren hat mehr als 50 Proteine identifiziert, die die Akkumulation von R-Loops zu beeinflussen scheinen. Während viele von ihnen vermutlich dazu beitragen, indem sie neu transkribierte RNA sequestrieren oder verarbeiten, um ein erneutes Hybridisieren an der DNA-Vorlage zu verhindern, müssen die Mechanismen der R-Loop-Interaktion für viele dieser Proteine noch bestimmt werden.<ref>{{Literatur |Autor=Yujia A. Chan, Maria J. Aristizabal, Phoebe Y. T. Lu, Zongli Luo, Akil Hamza |Titel=Genome-Wide Profiling of Yeast DNA:RNA Hybrid Prone Sites with DRIP-Chip |Sammelwerk=PLoS Genetics |Band=10 |Nummer=4 |Datum=2014-04-17 |ISSN=1553-7404 |DOI=10.1371/journal.pgen.1004288 |PMC=3990523 |PMID=24743342 |Seiten=e1004288 |Online=https://dx.plos.org/10.1371/journal.pgen.1004288 |Abruf=2019-09-22}}</ref>

=== Rolle von R-Loops bei der genetischen Regulation ===
Die Bildung von R-Loops ist ein wichtiger Schritt beim Wechsel der [[Antikörper#Verschiedene Klassen von Antikörpern|Immunglobulinklasse]], einem Prozess, der es aktivierten B-Zellen ermöglicht, die Antikörperproduktion zu modulieren.<ref>{{Literatur |Autor=D. Roy, K. Yu, M. R. Lieber |Titel=Mechanism of R-Loop Formation at Immunoglobulin Class Switch Sequences |Sammelwerk=Molecular and Cellular Biology |Band=28 |Nummer=1 |Datum=2008-01-01 |ISSN=0270-7306 |DOI=10.1128/MCB.01251-07 |PMC=2223306 |PMID=17954560 |Seiten=50–60 |Online=http://mcb.asm.org/cgi/doi/10.1128/MCB.01251-07 |Abruf=2019-09-22}}</ref> Sie scheinen auch eine Rolle beim Schutz einiger aktiver Promotoren vor Methylierung zu spielen.<ref>{{Literatur |Autor=Paul A. Ginno, Paul L. Lott, Holly C. Christensen, Ian Korf, Frédéric Chédin |Titel=R-Loop Formation Is a Distinctive Characteristic of Unmethylated Human CpG Island Promoters |Sammelwerk=Molecular Cell |Band=45 |Nummer=6 |Datum=2012-03 |DOI=10.1016/j.molcel.2012.01.017 |PMC=3319272 |PMID=22387027 |Seiten=814–825 |Online=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1097276512000834 |Abruf=2019-09-22}}</ref> Das Vorhandensein von R-Loops kann auch die Transkription hemmen.<ref>{{Literatur |Autor=Alicia D. D'Souza, Boris P. Belotserkovskii, Philip C. Hanawalt |Titel=A novel mode for transcription inhibition mediated by PNA-induced R-loops with a model in vitro system |Sammelwerk=Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Gene Regulatory Mechanisms |Band=1861 |Nummer=2 |Datum=2018-02 |DOI=10.1016/j.bbagrm.2017.12.008 |PMC=5820110 |PMID=29357316 |Seiten=158–166 |Online=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1874939917304078 |Abruf=2019-09-22}}</ref> Zusätzlich scheint die R-Loops mit dem "offenen" Chromatin verbunden zu sein, das für aktiv transkribierte Regionen charakteristisch ist.<ref>{{Literatur |Autor=Maikel Castellano-Pozo, José M. Santos-Pereira, Ana G. Rondón, Sonia Barroso, Eloisa Andújar |Titel=R Loops Are Linked to Histone H3 S10 Phosphorylation and Chromatin Condensation |Sammelwerk=Molecular Cell |Band=52 |Nummer=4 |Datum=2013-11 |DOI=10.1016/j.molcel.2013.10.006 |Seiten=583–590 |Online=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1097276513007478 |Abruf=2019-09-22}}</ref><ref name="costantino">{{Literatur |Autor=Lorenzo Costantino, Douglas Koshland |Titel=The Yin and Yang of R-loop biology |Sammelwerk=Current Opinion in Cell Biology |Band=34 |Datum=2015-06 |DOI=10.1016/j.ceb.2015.04.008 |PMC=4522345 |PMID=25938907 |Seiten=39–45 |Online=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0955067415000484 |Abruf=2019-09-22}}</ref>

=== Genetische Schädigung durch R-Loops ===
Wenn sich R-Loops ungeplant bilden, können sie durch eine Reihe von verschiedenen Mechanismen Schaden anrichten.<ref>{{Literatur |Autor=Boris P. Belotserkovskii, Silvia Tornaletti, Alicia D. D’Souza, Philip C. Hanawalt |Titel=R-loop generation during transcription: Formation, processing and cellular outcomes |Sammelwerk=DNA Repair |Band=71 |Datum=2018-11 |DOI=10.1016/j.dnarep.2018.08.009 |PMC=6340742 |PMID=30190235 |Seiten=69–81 |Online=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1568786418301745 |Abruf=2019-09-22}}</ref> Exponierte einzelsträngige DNA kann von endogenen Mutagenen angegriffen werden, einschließlich DNA-modifizierender Enzyme wie aktivierungsinduzierter Cytidin-Deaminase. Sie kann auch Replikationsgabeln blockieren, um deren Kollaps und nachfolgende Doppelstrangbrüche zu induzieren.<ref>{{Literatur |Autor=Julie Sollier, Karlene A. Cimprich |Titel=Breaking bad: R-loops and genome integrity |Sammelwerk=Trends in Cell Biology |Band=25 |Nummer=9 |Datum=2015-09 |DOI=10.1016/j.tcb.2015.05.003 |PMC=4554970 |PMID=26045257 |Seiten=514–522 |Online=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0962892415000938 |Abruf=2019-09-22}}</ref> Außerdem können R-Loops eine ungeplante Replikation induzieren, indem sie als Primer fungieren.<ref>{{Literatur |Autor=T. Itoh, J. Tomizawa |Titel=Formation of an RNA primer for initiation of replication of ColE1 DNA by ribonuclease H. |Sammelwerk=Proceedings of the National Academy of Sciences |Band=77 |Nummer=5 |Datum=1980-05-01 |ISSN=0027-8424 |DOI=10.1073/pnas.77.5.2450 |PMC=349417 |PMID=6156450 |Seiten=2450–2454 |Online=http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.77.5.2450 |Abruf=2019-09-22}}</ref><ref name="costantino" />

Die Akkumulation von R-Loops wurde mit einer Reihe von Krankheiten in Verbindung gebracht, darunter [[amyotrophe Lateralsklerose]] Typ 4 (ALS4), [[okulomotorische Apraxie]] Typ 2 (AOA2), [[Aicardi-Goutières-Syndrom]], [[Angelman-Syndrom]], [[Prader-Willi-Syndrom]] und Krebs.<ref name="groh"/>

== R-Loops, Introns und Beschädigungen der DNA ==
[[Intron]]s sind nicht-kodierende Bereiche innerhalb von Genen, die zusammen mit den kodierenden Bereichen von Genen transkribiert werden, aber anschließend durch Spleißen aus dem primären RNA-Transkript entfernt werden. Aktiv transkribierte DNA-Bereiche bilden oft R-Loops, die für DNA-Schäden anfällig sind. Introns reduzieren die Bildung von R-Loops und DNA-Schäden in hochexprimierten Hefegenen.<ref name="bonnet">{{Literatur |Autor=Amandine Bonnet, Ana R. Grosso, Abdessamad Elkaoutari, Emeline Coleno, Adrien Presle |Titel=Introns Protect Eukaryotic Genomes from Transcription-Associated Genetic Instability |Sammelwerk=Molecular Cell |Band=67 |Nummer=4 |Datum=2017-08 |DOI=10.1016/j.molcel.2017.07.002 |Seiten=608–621.e6 |Online=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1097276517304963 |Abruf=2019-09-22}}</ref> Eine genomweite Analyse zeigte, dass intronhaltige Gene im Vergleich zu intronlosen Genen mit ähnlicher Expression in Hefe und Mensch einen verminderten R-Loop-Pegel und eine geringere DNA-Schädigung aufweisen.<ref name="bonnet" /> Das Einsetzen eines Introns innerhalb eines für R-Loops anfälligen Gens kann auch die Bildung und Rekombination von R-Loops unterdrücken.<ref name="bonnet" /> Bonnet et al. (2017) spekulierten, dass die Funktion von Introns bei der Aufrechterhaltung der genetischen Stabilität ihre evolutionäre Aufrechterhaltung an bestimmten Stellen erklären könnte, insbesondere bei hochexprimierten Genen.

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:DNA]]
[[Kategorie:Genetik]]