Mol Cell | 刘洪团队揭示重复序列非编码卫星RNA通过R-loop保护染色体稳定性

染色体在细胞分裂时能否被精准均等地分配到两个子细胞，直接决定了基因组的稳定与否，其错误分配则与肿瘤发生等一系列疾病密切相关。这一过程的核心枢纽是“着丝粒（centromere）”。着丝粒既指导动粒（kinetochore）的组装，又为姐妹染色单体之间的“着丝粒黏连（centromeric cohesion）”提供物理位点。

在人类细胞中，着丝粒主要由“alpha-卫星（α-satellite）DNA”构成。α-satellite DNA是一类以约171 bp为单位、串联重复的非编码序列。长期以来，这些深埋于异染色质中的重复区域被视为转录沉默的“暗物质"。然而越来越多的证据表明，α-satellite DNA其实在RNA聚合酶II的作用下，在整个细胞周期中都可以被活跃地转录为“alpha-卫星RNA（α-SatRNA）”。α-SatRNA究竟有没有功能、如何发挥功能，一直以来都悬而未决。此前虽有研究揭示着丝粒转录促进染色体的正确分离，但受制于通用转录抑制剂对全基因组转录都有抑制，而非特异性的只抑制着丝粒转录的局限性，研究人员始终难以确认这种表型究竟是否直接源自α-SatRNA本身。

2026年8月5日，Tulane大学医学院（Tulane University School of Medicine）刘洪教授团队在Molecular Cell上发表题为Alpha-satellite RNA maintains centromeric cohesion through R-loops的研究论文。该研究首次证明：α-SatRNA在着丝粒处形成“R-loop”结构，并以此维持着丝粒黏连，从而为染色体的正确分离奠定基础。

为避免通用转录抑制剂的局限性，研究团队设计了一系列针对α-SatRNA的反义寡核苷酸（antisense oligonucleotide, ASO），实现了对α-SatRNA的特异性敲低。结果显示，在HeLa细胞里敲低α-SatRNA会导致着丝粒黏连缺陷 (centromeric cohesion defects), 以及姐妹染色单体过早分离。于此形成对比的是，将ASO关键位点突变后，α-SatRNA水平不再显著降低，于此同时着丝粒也不再有黏连缺陷，这证实了表型的序列特异性。这一现象在非转化的RPE1细胞中同样存在，说明这种调控并非癌症细胞所特有。

更关键的证据来自一系列“回补实验”。该研究团队构建了一段171 bp的α-satellite共有序列（α-SatCON），其表达能够大量补救由ASO导致的α-SatRNA水平的降低，并且消除与α-SatRNA敲低相关的着丝粒黏连缺陷；实验结果还证明，如果将该序列的保守AT富集区突变为GC富集区后，该片段完全丧失补救能力。有趣的是，在HeLa细胞里表达α-SatCON互补链序列，或者与人类相似的猴源α-satellite序列，均可以补救由α-SatRNA敲低所造成的着丝粒黏连缺陷。与此相反的是，表达与人类α-satellite序列差异较大的其他Satellite序列都无济于事。这表明在人类细胞中，维持着丝粒黏连所需的是α-SatRNA这一特定种类的RNA，而并非单纯的需要RNA的量保持在某种水平。

那么α-SatRNA是如何在着丝粒处发挥作用的？通过采用ChIRP和RNA-FISH等实验技术手段，该团队发现α-SatRNA结合于α-satellite染色质上，并且与着丝粒共定位。为了研究α-SatRNA在着丝粒上的功能，该研究团队进一步使用可特异性降解R-loop中RNA链的RNase H酶，然后确认α-SatRNA能够在着丝粒处形成R-loop（一种在转录过程中产生的由DNA-RNA组成的特殊结构） 该团队还证明α-SatRNA不仅可以在转录位点顺式（in cis）形成R-loop，还可以反式（in trans）形成R-loop。DRIP-seq结果更加揭示，超过半数的R-loop分布于基因组的重复元件上，以及α-SatRNA在α-satellite染色质上形成了大量R-loop。

R-loop对着丝粒黏连究竟是不是必需的？为了回答这一问题，研究者建立了可诱导表达的RNase H1细胞系。过表达具酶活性的RNase H1（而非酶活缺失突变体）会引发严重的着丝粒黏连缺陷，重现了α-SatRNA敲低的表型。而这些缺陷可被表达α-SatCON RNA挽救。借助G2期阻滞实验，研究者进一步证明，α-SatRNA形成的R-loop主要参与着丝粒黏连的维持，而非G1期的黏连蛋白（cohesin）在染色质上的装载。

在机制层面，研究团队将目光锁定在着丝粒黏连的关键"保护者" Shugoshin 1（Sgo1）蛋白。他们发现，敲低α-SatRNA或过表达RNase H1都会使Sgo1在着丝粒的富集轻度下降；而单纯提高Sgo1水平并不足以补救缺陷。真正奏效的是修复Sgo1在内着丝粒上的定位：借助CENP-B DNA binding 结构域将Sgo1靶向定位到内着丝粒后，无论是由于α-SatRNA敲低还是RNase H1过表达所致的着丝粒黏连缺陷，都能够被完全补救。由此，该研究团队提出一套分子机制模型：α-SatRNA在着丝粒处形成R-loop，进而促进Sgo1在内着丝粒的正确定位，最终保护着丝粒黏连以保证染色体分离的准确性。

综上所述，刘洪老师团队的研究勾勒出一条由"α-SatRNA — R-loop — Sgo1"串联而成的全新染色体分离调控通路，首次阐明了重复序列非编码卫星RNA守护染色体稳定性的机制。值得一提的是，R-loop在长期以来被视为基因组不稳定性的"威胁"，而本研究却相反地揭示了R-loop在维持染色体稳定性方面此前未被重视的积极作用，也进一步丰富了非编码重复RNA的功能图谱。在未来，跨物种的卫星RNA是否在着丝粒处发挥保守功能，R-loop是否还通过调控cohesin构象或异染色质结构影响黏连，都将是值得深入探索的方向。在疾病方面，α-SatRNA 常常在癌症细胞中过量表达。这一通路是否被篡改去促进癌症的发生和发展，也非常值得进一步探讨。

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2026.07.023

制版人： 十一

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