北京大学胡家志团队揭示转录的早期DNA复制启动的协调工作有效地防止了DNA的严重损伤

早期DNA复制发生在哺乳动物细胞中活跃的转录染色质区段内，这就提出了早期DNA复制如何与转录协调以避免碰撞和DNA损伤的直接问题。2021年6月9日，来自北京大学胡家志等研究团队在Genome Biology上在线发表了题为“Transcription shapes DNA replication initiation to preserve genome integrity”的研究论文，开发了一种高通量的核苷类似物整合测序方法，并在小鼠和人类细胞中识别了数千个早期复制起始区，发现转录的早期DNA复制启动的协调工作有效地防止了DNA的严重损伤。

哺乳动物的基因组根据染色质的活性和组蛋白的修饰被分为与关键细胞过程相关的活性和非活性区段，而转录主要发生在活性染色质区段。早期的DNA复制是在活跃的染色质区间内开始的，随后伸长到非活跃区间内。因此，早期DNA复制和基因转录都发生在活跃的染色质区间内，这就提出了一个关键的问题：这些过程如何在空间和时间上协调，以避免复制-转录的碰撞和随后的DNA损伤。以前的研究表明，转录可能会影响DNA复制的启动，但在哺乳动物细胞中这种相互作用的机制仍然难以确定。

与转录相反，DNA复制发生在整个基因组中，追踪早期DNA复制需要精确识别基因组DNA复制起源和启动区。复制起源在细菌和酵母中已被很好地描述，但它们在哺乳动物细胞中的位置仍不清楚。已有许多尝试来确定哺乳动物细胞中的复制起始点和启动区。

复制前复合体（pre-RC）成分的染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）是困难的，因为没有针对起源识别复合体（ORC）和迷你染色体维持复合体（MCM）的高质量抗体。Repli-seq已被应用于探索确定复制时间的研究中，这些研究表明，复制域的大小为400至800kb。

dNTP合成抑制剂羟基脲（HU）可以诱导复制应激以减缓复制延伸，从而大大改善EdU标记的DNA复制起始区（EdU-seq-HU）实验的分辨率。小的新生DNA链（SNS）已被用于绘制DNA复制起始点。此外，在DNA复制过程中产生的Okazaki片段（OK）也被用来确定启动区，每个区域内有一个或多个起源。这些方法显示，早期DNA复制的启动发生在活跃的染色质区，其中也有转录发生。

复制启动的过程需要ORC识别原点，MCM加载和MCM激活。在M期和G1期的后期，MCM复合物作为非活性的双六聚体被加载，这一过程依赖于ORC。当细胞进入S期时，一部分MCM复合体被激活，开始解开双链（ds）DNA，启动两个双向移动的复制叉。ORC稳定地结合染色质，而环绕dsDNA的环形MCM双六聚体可以沿着染色质滑动，解除ORC和MCM的耦合。

据报道，MCM在黑腹果蝇、爪哇鱼卵提取物、异步化的人类HeLa细胞和2fTGH细胞中进行了重新分配，但这一过程的机制仍未被探索。RNA聚合酶是负责MCM重新分布的最可能的候选者之一。T7 RNA聚合酶可以在体外迫使酵母的MCM复合物从线性dsDNA上脱落。此外，RNA聚合酶II也能使MCM在芽殖酵母的核糖体DNA位点上重新定位。然而，哺乳动物细胞中转录机器对MCM的重新分配还没有得到实验证实。

该研究开发了一种新的检测方法，即核苷类似物结合位点测序（NAIL-seq），以精确绘制全基因组早期复制起始区（ERIZs）。ERIZs主要位于开放染色质区的非转录区，与转录延伸区相互排斥。此外，转录的抑制导致MCM的重新分布和早期复制，而不是ORC的重新定位，在转录区。细胞未能阻止转录区的DNA复制启动，导致了严重的DNA损伤。

总之，转录通过将MCM复合物重新分配到非转录区来调节早期DNA复制的启动，以避免复制-转录碰撞，从而保持基因组的稳定性。

来源： iNature