RNA-DNA雜交鏈/R-loop在轉錄、復制及DNA損傷修復等細胞過程中發揮重要生理功能，其代謝失衡會誘發基因組不穩定和腫瘤等疾病。然而，全基因組尺度上R-loop的普適、高效解除機制仍有待揭示。

近日，北京大學基礎醫學院放射醫學系王維斌與王嘉東課題組合作在Science Advances上發表了題為R-loop processing via REXO4-RNaseH1-mediated endo- and exo-cleavage coupling mode prevents genome instability and antitumor immunity的研究論文。該研究鑒定出一種核酸外切酶REXO4，其與核酸內切酶RNaseH1協同，通過內-外切偶聯模式降解R-loop。研究發現該機制的缺陷會導致R-loop突變負荷升高，驅動腫瘤的發生。同時，研究揭示該機制的藥物可靶向性，鑒定出的REXO4酶活抑制劑REXO4-IN-17，可增強腫瘤對烷化劑和G4穩定劑類化療藥物的敏感性，并激活抗腫瘤免疫，進而抑制腫瘤生長。本研究提出了一種內-外切偶聯的R-loop清除新模式，揭示了R-loop相關基因組不穩定性和腫瘤發生與治療之間的新聯系。

轉錄是細胞內關鍵的生理過程。作為轉錄的副產物，R-loop是由RNA-DNA雜交鏈和單鏈DNA組成的三鏈結構，在多種細胞過程中發揮重要的生理功能。同時，R-loop在DNA損傷修復中也發揮重要作用。當R-loop積累時，會引發基因組不穩定，從而增加腫瘤等疾病的發生風險。此外，R-loop失調還可激活免疫反應，成為免疫原性核酸副產物的來源。因此，深入解析R-loop的調控機制，對于理解基因組不穩定性的來源及相關疾病的發生和治療具有重要意義。黑色素瘤是一種致死率很高的皮膚癌類型。由于黑色素瘤具有極高的突變負荷，并且腫瘤細胞具備逃避免疫系統的能力，其治療面臨巨大挑戰，表現為對化療的高度耐藥性以及免疫應答率較低。然而，R-loop在黑色素瘤發生發展中的作用仍不清楚，其是否可被利用以提高黑色素瘤化療和免疫治療效果，仍有待深入研究。

細胞進化出多種機制以清除R-loop。其中，能夠直接降解R-loop中RNA鏈的核酸酶包括RNaseH1等內切酶和外切酶。然而，在R-loop降解過程中，內切酶與外切酶之間是否存在協同作用尚不清楚。單獨依賴內切或外切酶，可能不足以高效清除R-loop。RNaseH1是一種經典且普遍存在的R-loop內切酶，其在離散位點對特定核苷酸具有切割偏好，提示在RNA被內切后，需要外切酶參與后續處理。但是否存在一種與RNaseH1協同作用、以內-外切偶聯方式高效清除全基因組R-loop的外切酶，目前仍未知。內切酶與外切酶的協同作用通常被認為是降解核酸的高效方式。例如，在DNA損傷的同源重組修復中，DNA末端切除是MRN與DNA2/EXO1以內-外切協同方式完成的。這一經典的DNA末端切除模式是否同樣適用于R-loop的處理，值得進一步探索。

為回答上述問題，研究團隊利用RNaseH1進行了R-loop鄰近蛋白質組學篩選，鑒定出一種核酸外切酶REXO4，其可直接降解R-loop。研究團隊發現，REXO4缺失會導致R-loop顯著積累。生化實驗證實REXO4可從RNA的3’末端或內部切口處直接降解R-loop中的RNA鏈，同時還能增強RNaseH1對R-loop的內切活性。DRIP-seq和ChIP-seq分析顯示，REXO4與RNaseH1調控的R-loop區域在基因組中高度重疊，且REXO4過表達可抵消RNaseH1缺失引起的R-loop積累。此外，REXO4和RNaseH1缺失的腫瘤均表現出顯著升高的R-loop突變負荷，且來源于黑色素瘤患者的REXO4突變體均顯示出R-loop切割活性缺陷。研究團隊還鑒定出一種REXO4的抑制劑REXO4-IN-17，其可增強黑色素瘤對烷化劑和G4穩定劑類化療藥物的敏感性。此外，REXO4可抑制R-loop依賴的cGAS通路激活，其抑制劑在小鼠體內可通過激活抗腫瘤免疫的方式抑制腫瘤生長。

綜上所述，本研究揭示REXO4-RNaseH1以內-外切偶聯方式高效處理全基因組R-loop的分子機制，建立該機制與R-loop相關基因組不穩定性和腫瘤發生與治療之間的潛在聯系。同時，本研究鑒定出REXO4的特異性抑制劑，提出干預REXO4可以通過增強腫瘤對化療藥物的敏感性及抗腫瘤免疫的方式抑制腫瘤生長。

北京大學基礎醫學院放射醫學系博士生楊韓、聶臣、覃瀠玉和梁鑫鑫為論文的共同第一作者，王維斌副研究員和王嘉東教授為論文的共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金、科技部重點研發計劃等資助。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeb4937.