DNA合成的意外之旅——部分芽殖酵母在染色体分离开始后才完成DNA合成

来源：BioArt

原标题：Nat Comm：DNA合成的意外之旅——部分芽殖酵母在染色体分离开始后才完成DNA合成

撰文 | 咸姐

今天的故事，开始于一个细胞周期。

从一次细胞分裂结束开始，经过物质积累过程，直到下一次细胞分裂结束为止，称为一个细胞周期。一个细胞周期即是一个细胞的整个生命过程。一个标准的细胞周期一般包括两个相互延续的时期，即细胞有丝分裂期（M）和位于两次分裂期之间的分裂间期，分裂间期又可分为三个时相——DNA合成前期（G1期）、DNA合成期（S期）与DNA合成后期（G2期），而有丝分裂则需经过前、中、后、末四个时期。

大多数生物体的细胞周期事件按顺序排列成相互依赖性途径，其中晚期事件的开始取决于早期事件的完成。在细胞分裂之前，必须进行各种必要的物质准备，而其中最重要的物质准备之一是遗传物质载体DNA的复制。为了保持基因组的稳定性，真核细胞必须在染色体分离之前完成DNA复制。人们普遍认为，S期与M期在时间上的分离可以确保DNA复制完全。S期和M期的顺序是通过细胞周期中细胞周期蛋白依赖性激酶（Cdk）活性的增加来建立的，并且通过细胞周期检验点（checkpoint）来加强，当细胞暴露于严重的复制应激或大量DNA复制延长时，检验点可以抑制染色体的分离【1-3】。而细胞周期事件之间的一些依赖性可以通过突变而改变，如有丝分裂可能在DNA合成完成之前发生，这表明这种依赖性是由一种控制机制引起的，而不是事件本身的内在特征【2】。然而，在不受干扰的条件下未复制的DNA是如何被细胞检测到的呢？这种机制的检测阈值又是多少呢？

有研究发现，暴露于轻度DNA复制应激的癌细胞可以在有丝分裂早期甚至可能在随后的G1期进行DNA合成【4】，此外，某些芽殖酵母突变体在未复制的DNA存在的情况下也可以进入有丝分裂【5,6】，这些都增加了DNA合成和有丝分裂在正常细胞周期中重叠的可能性。因此，在生理条件下，真核生物能在多大程度上暂时分离DNA合成和染色体分离两个过程，仍然是一个悬而未决的问题。

基于以上，近日，来自北京大学前沿交叉学科研究院的Lucas Carey组和法国伊尔基希（Ellkirch）的分子生物学及细胞生物学研究所的Manuel Mendoza教授研究团队在Nature Communications上发表题为“Budding yeast complete DNA synthesis after chromosome segregation begins”的文章，证明了芽殖酵母无法检测到未复制的DNA！有20-40%的正常分裂酵母细胞可以在DNA复制完成前进入有丝分裂，表明DNA合成在有丝分裂早期受到抑制，而在Cdk活性下降的分裂后期得以恢复，同时揭示了酵母细胞在正常生长期间发生的暂时性DNA合成和染色体分离重叠事件，可能使得细胞在探索更大的遗传空间的同时，最大限度地提高了种群水平的生长速度。

为了确定非应激细胞在有丝分裂过程中是否发生DNA合成，本文的研究人员通过抑制Cdc20（分裂后期促进复合物激活因子）来使得芽殖酵母细胞停滞在分裂中期，并测量核苷酸类似物EdU在细胞进入或未进入G1期时的整合情况，结果显示分裂中期阻滞细胞未发生EdU核整合，但是在分裂中期和随后的G1期之间发生了一些整合，即使无应激的周期中细胞也是如此。进一步实验证实，在周期中细胞的正常分裂后期，DNA合成可能会继续进行，而这可以促进细胞核的及时分裂。此外研究也发现细胞分裂后期的染色体分离动态和DNA合成是相互关联的，即有丝分裂期的DNA合成促进了染色体的及时分离。

随后研究人员发现，分裂后期染色质桥的分离需要有丝分裂退出途径（Mitotic Exit Network，MEN，有丝分裂结束时使Cdk失活所需的激酶级联途径）的参与，MEN缺失的细胞中，至少有40%的处于分裂后期晚期的细胞存在染色质分离不完全的现象。然而此时染色质桥的分离则需要分裂后期进行DNA合成来解决。由此表明有丝分裂后期MEN的功能和DNA合成促进了染色体的完全分离。

有丝分裂后期进行的DNA合成可能反映已经复制的DNA的有丝分裂修复、不同基因组区域的有丝分裂DNA合成、或特定基因组区域的有丝分裂DNA合成。为了区分这些可能性，本文的研究人员利用Illumina测序来评估G1期、分裂中期（通过抑制Cdc20）和分裂后期晚期/末期（通过使MEN失活）细胞中的DNA拷贝数。结果显示亚端粒和其他一些难以复制的区域（如转座子、脆性位点等）在有丝分裂中期复制能力不足，而是在有丝分裂后期完成DNA合成的，并且实验证实在细胞分裂中期DNA合成的抑制是由于Cdk的高活性所致，而在有丝分裂结束期间Cdk活性的降低使得DNA合成在上述区域得以继续完成，以阻止稳定染色质桥的形成。而有丝分裂后期的DNA合成可能导致特定基因类别的突变率增加，并且可能导致亚端粒区域的高进化分化率。

综上所述，本研究表明，部分的野生型非应激细胞是在有丝分裂后期完成DNA合成的，比染色体分离的起始时间晚得多，而有丝分裂中期复制不足的区域，在Cdc水平低于退出有丝分裂时的临界阈值时，有最后一次机会完成复制（图1）。而这项研究结果也将可能有助于解释快速分裂的动物细胞（如在早期胚胎中没有分裂间隙的阶段）是如何确保完整的DNA复制的。

图1 芽殖酵母在染色体分离开始后完成DNA合成

北京大学Lucas Carey老师实验室目前也在招聘博士后和技术员，如果有兴趣请扫下方二维码可看到招聘详细信息。

参考文献

1. Coudreuse, D. & Nurse, P. Driving the cell cycle with a minimal CDK control network. Nature 468, 1074–1079 (2010).

2. Hartwell, L. H. & Weinert, T. A. Checkpoints: controls that ensure the order of cell cycle events. Science 246, 629–634 (1989).

3. Magiera, M. M., Gueydon, E. & Schwob, E. DNA replication and spindle checkpoints cooperate during S phase to delay mitosis and preserve genome integrity. J. Cell Biol. 204, 165–175 (2014).

4. Minocherhomji, S. et al. Replication stress activates DNA repair synthesis in mitosis. Nature 528, 286–290 (2015).

5. Torres-Rosell, J. et al. Anaphase onset before complete DNA replication with intact checkpoint responses. Science 315, 1411–1415 (2007).

6. Dulev, S. et al. Essential global role of CDC14 in DNA synthesis revealed by chromosome underreplication unrecognized by checkpoints in cdc14 mutants. Proc. Natl Acad. Sci. USA 106, 14466–14471 (2009).