2020-06-19 05:00 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務
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在哺乳動物細胞核中，染色質DNA的複製在時間上的有序組織被稱作「複製時間程序」(replication timing program)，並在很大程度上影響了基因組的穩定性及其功能【1】。研究發現在時間上離散的「複製域」（replication domain，RD）中包含多個複製子（replicon），而每一個複製子中包含多個潛在的複製起始位點（replication origin）【2】。在每一個細胞周期的S期中，一個複製子中只有一個起始位點被激活，並被用以完成DNA複製。
近期的高通量測序研究揭示在基因組中，複製域與染色質中普遍存在的結構性拓撲關聯域（topologically associating domain，TAD）共享了相同的界限，顯示拓撲關聯域TAD是複製域RD的穩定調控單元【3】，並且暗示染色質的結構對於DNA複製起始有著至關重要的作用。先前的測序結果顯示，DNA複製起始位點的激活是在複製域層面被調控的：一旦一個複製域的複製時間被決定了，那麼其中的複製起始位點的篩選和激活就是靈活的和隨機的。然而，基於DNA combing等的研究證實，在一個複製域中，多個複製起始位點的激活在時間上是高度同步的，因此也暗示了一種有趣的可能性，即複製起始位點的空間組織或許決定了它們的選擇性和同步性【2】。
6月15日，北京大學生物醫學前沿創新中心（BIOPIC）孫育傑課題組與謝曉亮課題組等合作在PNAS上發表題為Super-resolution Imaging Reveals Spatio-temporal Propagation of Human Replication Foci Mediated by CTCF-organized Chromatin Structures的研究成果，他們利用超高分辨顯微技術揭示了由CTCF介導的染色質結構決定的複製斑的時空傳播【4】。
在文中，為了理解在一個複製域（400~800 kbp，200~500 nm）中被激活的複製起始位點是如何在時間和空間上組織分布的，孫育傑課題組在哺乳動物的細胞核中結合時序螢光標記、免疫螢光標記和超高分辨顯微成像技術（STORM）直接觀察了單個複製斑（replication focus，即複製域在細胞內的成像學定義）的時空分布和組織。研究者們定量地分析了複製斑的分布、物理形態、原位序列長度和其中包含的複製子個數，並首次表徵了單個複製斑的原位表觀遺傳學標記，揭示了它們在細胞周期的S期中的高分辨動態變化。
研究者們為了獲取時空信息，在細胞周期的S期早期中對複製斑進行時序標記時發現，DNA複製在時空上呈現出一種有序的分布模式：在空間上，先複製的DNA被後複製的DNA包裹，而這種空間上的包裹關係在S期晚期顛倒了順序，並且可以被咖啡因處理調控。這一重要的發現顯示優先激活的複製起始位點可能位於複製域的內部並且是被同步激活；因此，DNA複製在空間上呈現出沿軸向向外的傳播。
隨後，研究者們發現DNA複製的這種空間特異的分布特徵在CTCF敲低的細胞中消失了，而CTCF是一個重要的染色質結構的組織分子，介導了染色質環狀結構的生成。CTCF在複製起始位點篩選中的重要性又進一步被生物信息學分析證實，即DNA複製時間測序數據和CTCF染色質免疫共沉澱數據有很高的相關性。最後結合計算機仿真模擬不同的染色質構象和複製起始進程，本文的超分辨成像數據呈現了一個全新的「由CTCF組織的染色質結構調控的DNA複製傳播」（CoREP）模型，解釋了之前研究發現的單個複製域中多個複製起始位點發生同步激活的現象。本研究闡明了在亞複製域RD層面上複製起始位點篩選和激活並非是隨機的，從而揭示了染色質構象在調控DNA複製中的重要作用。
據悉，孫育傑（北京大學BIOPIC，生命科學學院，膜生物學國家重點實驗室研究員）、謝曉亮（北京大學BIOPIC，ICG，生命科學學院教授）、趙自清（新加坡國立大學助理教授）和蘇乾博士（雪梨科技大學Lecturer）為本文的共同通訊作者。蘇乾博士和趙自清博士為本文的共同第一作者。
原文連結：
https://www.pnas.org/content/early/2020/06/12/2001521117
參考文獻
1.Rhind N & Gilbert DM (2013) DNA replication timing. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 5:a010132.
2.Fragkos M, Ganier O, Coulombe P, & Mechali M (2015) DNA replication origin activation in space and time. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 16:360-374.
3.Dixon JR, et al. (2012) Topological domains in mammalian genomes identified by analysis of chromatin interactions. Nature 485:376-380.
4.Su Q, Zhao Z et al (2020) Super-resolution Imaging Reveals Spatio-temporal Propagation of Human Replication Foci Mediated by CTCF-organized Chromatin Structures. PNAS
來源：BioArt
1980-2020
原標題：《【學術前沿】孫育傑/謝曉亮合作團隊等展示CTCF介導染色質結構決定複製起始位點的時空組織》
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