r-loop是一种由dna:rna杂合链和dna单链形成的三链基因组结构，广泛存在于各种生物的基因组中，在调控基因表达、基因组稳定性等方面发挥重要作用。在控制r-loop动态变化的因子中，进化保守的rnase h1可以特异性消化rna:dna杂合链中的rna，从而直接从基因组中去除r-loop，维持基因组的稳定性。孙前文实验室前期工作在拟南芥中鉴定到三个rnase h1类的r-loop移除酶atrnh1a、atrnh1b和atrnh1c（the plant cell 2017），并详细解析了叶绿体定位的atrnh1c在维持质体基因组稳定性过程中发挥的重要功能（the plant cell 2017; cell reports 2020; nucleic acids research 2021，详见文末链接）。然而目前对线粒体定位的atrnh1b在拟南芥中的功能和调控机制尚不清楚。
2021年8月3日，清华大学生命科学学院、清华-北大生命科学联合中心孙前文实验室在《科学公共图书馆—生物学》(plos biology) 杂志在线发表了以“线粒体rnase h1蛋白通过调节r-loop 稳态以维持基因组完整性并确保拟南芥早期胚胎发生(mitochondrial rnase h1 activity regulates r-loop homeostasis to maintain genome integrity and enable early embryogenesis in arabidopsis)”为题的研究论文，发现了一种内共生半自主细胞器之间的新型交流机制，并揭示了rnase h1蛋白维持拟南芥线粒体基因组稳定性和胚胎发育的功能。
论文作者首先证实atrnh1b是定位于线粒体的rnase h1酶。作者发现atrnh1b突变体与野生型植株表型类似，而atrnh1b/c双突变体却是胚胎发育致死，说明atrnh1c和atrnh1b在线粒体中功能冗余。通过荧光蛋白融合标记及免疫金标记等多种示踪方法，作者发现，在缺少atrnh1b蛋白的情况下，本应在叶绿体中特异定位的atrnh1c蛋白可定位于线粒体中。随后发现atrnh1c蛋白内部的叶绿体靶向信号肽（cts）和杂合链结合域（hbd）之间的九个氨基酸抑制了atrnh1c蛋白的线粒体定位能力（图a）。
植物线粒体基因组富含可以介导同源重组（homologous recombination, hr）的重复序列。为了探究线粒体定位的atrnh1b是否参与调控线粒体dna（mitochondrial dna, mtdna）重复序列间的同源重组过程，作者通过多种实验手段发现atrnh1b/c双突变体的胚胎早期发育停滞是由于过量的r-loop的积累和线粒体基因组异位hr的升高所导致，同时伴随mtdna拷贝数的大幅减少。在分析atrnh1b/1c与hr监测（hr surveillance）途径中的关键因子osb1间遗传关系时，作者发现osb1可以通过抑制r-loop形成以限制mtdna的同源重组过程（图c）。该工作不仅提供了对发育和环境变化过程中线粒体基因组维持的新见解，而且还揭示了一种半自主细胞器之间紧密交流的新机制（图b）。
图（a）：atrnh1c在叶绿体和线粒体中的双重定位能力受其自身69-77aa序列抑制。
图（b）：线粒体rnase h1的双重维持机制。
图（c）：通过不同方式抑制r-loop形成可以限制线粒体基因组重复序列引起的同源重组。
清华大学生命学院孙前文实验室已毕业博士生程玲玲、博士后王文杰、2017级博士生姚尧为论文的共同第一作者（按作者拼音排序）。孙前文研究员为本文的通讯作者。该工作得到科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委以及生命科学联合中心等经费的支持。继atrnh1c与rhon1调控转录-复制正面对撞、atrnh1c与单链dna结合蛋白why1/3和重组酶reca1在拟南芥叶绿体中协作完成dna损伤修复（the plant cell 2017; cell reports 2020; nucleic acids research 2021）等研究后，本研究再一次深入解析了植物半自主细胞器中r-loop生物学功能和调控机制，并发现了一种叶绿体和线粒体信息交换的新机制。
原文链接：https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3001357
相关报道：
2017年清华生命学院孙前文实验室发文报道r-loop影响叶绿体基因组稳定的调控机制：
2020年生命学院孙前文实验室发文报道r-loop介导拟南芥中叶绿体基因组稳定性维持的新机制：
2021年生命学院孙前文实验室发现rna:dna杂合链协助修复拟南芥叶绿体基因组断裂的新机制：https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/85038.h
