利用超分辨成像技术揭示DNA复制起始位点选择新机制

利用超分辨成像技术揭示DNA复制起始位点选择新机制

　　

　　人体细胞基因组大约有多达25万个位点可以用来起始DNA复制，这些位点被称为DNA复制起始位点。有趣的是，一个细胞在一个细胞周期中只使用其中大约十分之一即可完成DNA复制，并且其对复制起始位点的选择呈现一定的规律性，体现在不同复制起始位点具有相对保守的复制起始概率。虽然前期的研究发现复制起始位点的活性与多种遗传和表观遗传因素相关（图1上），但一直缺少复制起始位点选择机制的共识。

 

　　其中，关于DNA复制起始位点的选择与染色质结构的关系，此领域的前辈通过一些实验结果推测出一种DNA复制模型：认为在DNA复制起始的时候，在染色质结构域（DNA复制域或者是拓扑关联结构域TAD）中，位于结构域内部、聚集在一起的DNA复制起始位点有更高起始概率（图1下），这种聚集起始DNA复制有利于复制的协同并提高复制效率。

　　

　　

　　图1：（上）DNA复制起始位点的活性与多种因素相关，Michalis et al. NATURE REVIEWS (2015)；（下）DNA复制起始位点选择机制的一个传统模型。该模型指出在G1/S时期聚集在染色质结构域内部的复制起始位点（红色）有更高概率被用来（六角星表示）起始DNA复制。

　　

　　然而，此模型由于技术壁垒缺乏直接的成像证据，包括如何同时基于序列信息准确标记染色质结构域及其复制起始位点，并对结构域（半径200-300 nm）和复制起始位点实现精准成像。2021年7月13日，北京大学未来技术学院、北京大学生物医学前沿创新中心（BIOPIC）孙育杰课题组在 Genome Biology 在线发表了题为Transcription-coupled structural dynamics of topologically associating domains regulate replication origin efficiency的研究论文，通过DNA探针库的杂交标记实现了对染色质结构域（图2 绿色）及其复制起始位点（图2 紫色）的精确标记，并通过随机光学重构超分辨显微技术（STORM）进行准确定位。结果显示，在DNA复制起始的时候（G1/S时间点），高概率使用的复制起始位点（ORI2、ORI3）分布于染色质结构域的外围，而低概率使用的复制起始位点（ORI4、ORI5）分布于染色质结构域的内部。与此同时，使用代谢标记的刚起始复制的位点也处于复制域的外围，以上结果直接证明传统模型（图1下）并不准确。

　　

　　

　　

　　

　　图2：不同时期复制起始位点（紫色）在染色质拓扑关联结构域TAD（绿色）中的分布，绿色紫色重合显示为白色。比例尺为200 nm。

　　

　　同时，研究人员发现，在G1前中期DNA还没有开始复制的时候，复制起始位点在结构域中的空间分布相对随机。有趣的是，有些复制起始位点从G1期到进入S期发生了空间位移，这种空间位移导致它们被用来起始复制的概率比其他复制起始位点要高。为了研究这种染色质空间结构变化及影响DNA复制的机制，研究人员首先探索了染色质空间结构变化的原因。他们发现，降低CTCF或者cohesin的表达量，或者是抑制转录，都会导致在G1/S期复制起始位点的空间分布变得相对随机。这表示，极有可能是转录过程影响染色质结构进而改变了复制起始位点在染色质结构域的空间分布。最后，研究人员发现，不同于MCM， CTCF等蛋白可以进入结构域，DNA复制复合体蛋白PCNA会形成团簇分布在结构域的外围。因此，分布在结构域外围的复制起始位点更有被用来起始DNA复制的机会。

　　

　　结合以上结果，研究人员提出了“Chromatin Re-organization Induced Selective Initiation” (CRISI) 模型（图3）。在G1前中期，复制起始位点在结构域中相对随机分布。G1期转录过程的进行改变局部的染色质结构，导致复制起始位点的分布发生改变，暴露在结构域外围的复制起始位点优先结合外围的DNA复制复合体并启动复制。重要的是，这一发现不但揭示了染色质三维结构对于DNA复制调控的重要性，同时调和了之前多个研究组发现的各种不同的遗传和表观遗传因素（图1上），建立了转录、染色质局部结构和DNA复制位点选择之间的联系。

　　

　　

　　图3：“Chromatin Re-organization Induced Selective Initiation” (CRISI) 模型，建立了 DNA复制起始位点选择与转录调控的染色质结构变化的联系。

　　

　　北京大学未来技术学院、北京大学生物医学前沿创新中心（BIOPIC）孙育杰研究员为本研究论文通讯作者。北京大学生物医学前沿创新中心已毕业博士生李永正、薛博鑫、三年级博士生张梦凌为本文第一作者。本研究得到了生物物理所李国红研究员团队的支持与帮助。

　　

　　论文链接：

　　https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-021-02424-w