Science| 胡家志实验室解析人细胞中DNA复制叉的偶联现象

细胞增殖生长中，DNA复制负责亲子代间遗传物质的传递，保持高度活跃与准确性。自分子生物学诞生以来，一系列利用酵母为研究对象的经典工作系统揭示了低等真核生物的DNA复制的过程。但与酵母差异巨大的是，哺乳动物的基因组更大，并以更为复杂的三维层级结构折叠在细胞核中，整个基因组需要在短时间内快速完成复制，遇到的障碍与阻力也更大，对人类细胞DNA复制的理解远不如酵母。

值得注意的是，在针对常见癌症病人的已有研究中，研究人员发现有约70%癌症与DNA复制错误造成的基因组紊乱相关(3, 4)，因此，DNA复制也一直是癌症等疾病的重要靶点。解析哺乳动物细胞如何在更为复杂的基因组环境下调控保证精准DNA复制逐渐成为理解细胞增殖以及癌症产生发展的研究重心。然而在过去的研究中，受限于高通量、高分辨率研究手段的缺失，对人细胞的DNA复制的系统性研究始终难以推进。

2024年3月15日，北京大学成都前沿交叉生物技术研究院胡家志实验室、北大-清华生命科学联合中心、北京大学生命科学学院胡家志课题组在Science上发表了题为：“Fork coupling directs DNA replication elongation and termination”的研究论文，该研究通过建立首个检测DNA复制叉附近染色质互作的方法Repli-HiC，发现整个复制延伸过程中姐妹复制叉形成稳定偶联结构，并进一步发现该组织模式会指导DNA复制终止，并抵抗复制压力，从而防止基因组损伤和癌症发生。

在本研究中，研究人员利用全新开发的Repli-HiC技术在人类细胞中鉴定到全新的两大类染色质喷泉(chromatin fountain)结构，第一类染色质喷泉以DNA复制起始区为中心，第二类染色质喷泉以DNA复制终止区为中心。两类染色质喷泉结构的形成均需要姐妹复制叉在整个复制过程中保持偶联并以相同速度行进，从而揭示了人类细胞DNA复制全过程中复制叉偶联的组织形式。这种偶联模型与传统的复制模型不同（图1），有助于我们更有针对性地设计小分子药物干扰DNA复制。

图1 DNA复制模型

传统模型认为相互分离的DNA复制叉执行复制延伸和终止，本工作发现DNA复制叉在整个复制过程中并不是孤立的，而以互相偶联的形成指导DNA合成。

在该模型基础上，研究人员进一步分析DNA复制叉的偶联与基因组稳定性和癌症发生发展的关系。在人类基因组上分布有非常多染色质易损位点(common fragile sites)，这些染色质易损位点通常分布在DNA复制晚期区域。在人类细胞DNA复制过程中，尤其是存在DNA复制压力的情况下，染色质易损位点非常容易产生DNA断裂与损伤，从而造成基因组不稳定性增加，甚至促进癌症的发生。但一直以来人们并不完全清楚染色质易损位点形成的原因。 在本研究中，研究人员通过比较发现，有超过84%的染色质易损位点坐落在第二类染色质喷泉区（图2A和2B）。进一步对ICGC和TCGA癌症数据库中染色质结构变异分析也发现，跨越第二类染色质喷泉中心的染色质缺失两侧末端对称分布于中心（图2C）。同时，在低剂量复制压力下，第二类染色质喷泉的复制时序会变晚，更难以完成DNA复制。这些数据说明复制叉的偶联极有可能在细胞应对复制压力过程中发挥作用，为染色质易损位点的形成原因提供了全新的理解思路。

图2染色质脆性位点定位于II类染色质喷泉

A.染色质脆性位点与II类染色质喷泉的分布。B.淋巴细胞中染色脆性位点定位于II类染色质喷泉。C.癌症中的染色质缺失的末端对称分布于II类染色质喷泉中心

本研究的发现系统首次解析了人细胞中DNA复制叉的空间结构，发现了姐妹复制叉的稳定偶联现象，并且复制叉的偶联与基因组稳定性密切相关，为进一步理解癌症发生机理提供了全新思路。下一步，研究人员将继续深入挖掘复制叉偶联的分子机制，从而寻找可以用来调控复制叉偶联的靶蛋白，这将为发现人特异的针对过度增殖的肿瘤细胞药物设计与开发奠定了重要的基础，具有潜在的应用价值。

该工作由北京大学生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心、北京大学成都前沿交叉生物技术研究院胡家志研究员及李晴教授、孔道春教授、高宁教授、和季雄研究员组合作完成。我院胡家志研究员为该论文的通讯作者，甘婷婷博士在该工作中亦有重要贡献。

原文链接：10.1126/science.adj7606

胡家志实验室网址：https://hulab.pku.edu.cn/

参考文献：

1. M. O'Donnell, L. Langston, B. Stillman, Principles and concepts of DNA replication in bacteria, archaea, and eukarya. Cold Spring Harb Perspect Biol 5, (2013).

2. J. M. Dewar, J. C. Walter, Mechanisms of DNA replication termination. Nat Rev Mol Cell Biol 18, 507-516 (2017).

3. Tomasetti C, Vogelstein B., Variation in cancer risk among tissues can be explained by the number of stem cell divisions. Science 347(6217): 78-81(2015).

4. Tomasetti C, Vogelstein B., Stem cell divisions, somatic mutations, cancer etiology, and cancer prevention. Science 355(6331): 1330-1334 (2017).

以第一篇Science文章发表庆祝研究院成立一周年

令人欣喜的是，今天也是研究院成立一周年的日子（2023年3月15日，经中央编办核名，北京大学成都前沿交叉生物技术研究院正式注册成立），又巧逢研究院第一篇Science文章发表，这真是一个令人振奋的好兆头！相信成都研究院能产生更多原创性、颠覆性科技创新成果，为发展新质生产力贡献新动能！