Science | 北京大学胡家志团队解析哺乳动物DNA复制叉的空间构型

DNA复制是一个高度协调的过程，涉及特定DNA起点的起始和两个复制分叉相遇时的终止。在每个起点，一对复制体组装并产生姐妹复制叉，以双向方式进行。两个聚合叉之间的相互作用触发染色质上的复制体拆卸，导致复制终止。与大肠杆菌不同，大肠杆菌具有单一复制起点和特定的终止区域，真核细胞有成百上千个复制起始区(IZs)和终止区(TZs)。在酵母菌中已经有很好的复制起源记录，并且复制起始的过程也已经在体外进行了生化重组。同样，在哺乳动物细胞中，IZs和TZs也通过各种高通量测定法被鉴定出来。考虑到从细菌到哺乳动物基因组的大小和复杂性的增加，哺乳动物细胞中DNA复制的调控似乎更为复杂。

早期对真核细胞中复制叉的空间组织的研究依赖于各种显微镜技术。共聚焦显微镜研究显示存在多个球状焦点，即复制工厂，其中包含数十个复制叉。相比之下，超分辨率显微镜分析挑战了这一概念，并表明在人类HeLa和小鼠C2C12细胞中，每个复制焦点可能包含较少数量的复制体，可能只有两个。虽然对酵母和HeLa细胞的研究表明，姐妹分叉在DNA复制过程中非常接近，但其他研究表明，姐妹分叉在酵母和非洲爪蟾中可以独立运作，并且在非洲爪蟾卵提取物中没有观察到姐妹复制体的强制性偶联。因此，揭示真核细胞中多个复制体或复制叉之间的协调，需要开发具有更高分辨率的高通量测定方法。

Repli-HiC的实验过程（Credit: Science）

该研究开发了DNA复制相关的原位HiC (Repli-HiC)试验来研究涉及复制叉的染色质相互作用。基于该方法，该研究不仅首次解析了DNA复制叉在复杂染色质环境下的空间组织模式，发现姐妹复制叉的稳定偶联结构，还提出了DNA复制终止的预决定模型，提示仍有重要未知机制触发复制终止。不仅如此，该研究还启示了一系列重要科学问题：复制叉偶联的结构基础和分子机制、偶联复制叉的生理功能、偶联复制叉与染色质其他代谢过程的协调关系等。总之，该研究为理解DNA复制、基因组稳定性和相关疾病的机理提供了全新视角和新的理论基础。