Nature Comm|DNA合成的意外之旅

2020-11-27 BioArt生物藝術

撰文 | 鹹姐

今天的故事,開始於一個細胞周期。

從一次細胞分裂結束開始,經過物質積累過程,直到下一次細胞分裂結束為止,稱為一個細胞周期。一個細胞周期即是一個細胞的整個生命過程。

一個標準的細胞周期一般包括兩個相互延續的時期,即細胞有絲分裂期(M)和位於兩次分裂期之間的分裂間期,分裂間期又可分為三個時相——DNA合成前期(G1期)、DNA合成期(S期)與DNA合成後期(G2期),而有絲分裂則需經過前、中、後、末四個時期。

大多數生物體的細胞周期事件按順序排列成相互依賴性途徑,其中晚期事件的開始取決於早期事件的完成。

在細胞分裂之前,必須進行各種必要的物質準備,而其中最重要的物質準備之一是遺傳物質載體DNA的複製。

為了保持基因組的穩定性,真核細胞必須在染色體分離之前完成DNA複製。人們普遍認為,S期與M期在時間上的分離可以確保DNA複製完全。

S期和M期的順序是通過細胞周期中細胞周期蛋白依賴性激酶(Cdk)活性的增加來建立的,並且通過細胞周期檢驗點(checkpoint)來加強,當細胞暴露於嚴重的複製應激或大量DNA複製延長時,檢驗點可以抑制染色體的分離【1-3】

而細胞周期事件之間的一些依賴性可以通過突變而改變,如有絲分裂可能在DNA合成完成之前發生,這表明這種依賴性是由一種控制機制引起的,而不是事件本身的內在特徵【2】

然而,在不受幹擾的條件下未複製的DNA是如何被細胞檢測到的呢?這種機制的檢測閾值又是多少呢?

有研究發現,暴露於輕度DNA複製應激的癌細胞可以在有絲分裂早期甚至可能在隨後的G1期進行DNA合成【4】,此外,某些芽殖酵母突變體在未複製的DNA存在的情況下也可以進入有絲分裂【5,6】,這些都增加了DNA合成和有絲分裂在正常細胞周期中重疊的可能性。

因此,在生理條件下,真核生物能在多大程度上暫時分離DNA合成和染色體分離兩個過程,仍然是一個懸而未決的問題。

基於以上,近日,來自北京大學前沿交叉學科研究院的Lucas Carey組和法國伊爾基希(Ellkirch)的分子生物學及細胞生物學研究所的Manuel Mendoza教授研究團隊在Nature Communications上發表題為「Budding yeast complete DNA synthesis after chromosome segregation begins」的文章,證明了芽殖酵母無法檢測到未複製的DNA!

有20-40%的正常分裂酵母細胞可以在DNA複製完成前進入有絲分裂,表明DNA合成在有絲分裂早期受到抑制,而在Cdk活性下降的分裂後期得以恢復,同時揭示了酵母細胞在正常生長期間發生的暫時性DNA合成和染色體分離重疊事件,可能使得細胞在探索更大的遺傳空間的同時,最大限度地提高了種群水平的生長速度。

為了確定非應激細胞在有絲分裂過程中是否發生DNA合成,本文的研究人員通過抑制Cdc20(分裂後期促進複合物激活因子)來使得芽殖酵母細胞停滯在分裂中期,並測量核苷酸類似物EdU在細胞進入或未進入G1期時的整合情況,結果顯示分裂中期阻滯細胞未發生EdU核整合,但是在分裂中期和隨後的G1期之間發生了一些整合,即使無應激的周期中細胞也是如此。

進一步實驗證實,在周期中細胞的正常分裂後期,DNA合成可能會繼續進行,而這可以促進細胞核的及時分裂。此外研究也發現細胞分裂後期的染色體分離動態和DNA合成是相互關聯的,即有絲分裂期的DNA合成促進了染色體的及時分離。

隨後研究人員發現,分裂後期染色質橋的分離需要有絲分裂退出途徑(Mitotic Exit Network,MEN,有絲分裂結束時使Cdk失活所需的激酶級聯途徑)的參與,MEN缺失的細胞中,至少有40%的處於分裂後期晚期的細胞存在染色質分離不完全的現象。

然而此時染色質橋的分離則需要分裂後期進行DNA合成來解決。由此表明有絲分裂後期MEN的功能和DNA合成促進了染色體的完全分離。

有絲分裂後期進行的DNA合成可能反映已經複製的DNA的有絲分裂修復、不同基因組區域的有絲分裂DNA合成、或特定基因組區域的有絲分裂DNA合成。

為了區分這些可能性,本文的研究人員利用Illumina測序來評估G1期、分裂中期(通過抑制Cdc20)和分裂後期晚期/末期(通過使MEN失活)細胞中的DNA拷貝數。結果顯示亞端粒和其他一些難以複製的區域(如轉座子、脆性位點等)在有絲分裂中期複製能力不足,而是在有絲分裂後期完成DNA合成的,並且實驗證實在細胞分裂中期DNA合成的抑制是由於Cdk的高活性所致,而在有絲分裂結束期間Cdk活性的降低使得DNA合成在上述區域得以繼續完成,以阻止穩定染色質橋的形成。

而有絲分裂後期的DNA合成可能導致特定基因類別的突變率增加,並且可能導致亞端粒區域的高進化分化率。

綜上所述,本研究表明,部分的野生型非應激細胞是在有絲分裂後期完成DNA合成的,比染色體分離的起始時間晚得多,而有絲分裂中期複製不足的區域,在Cdc水平低於退出有絲分裂時的臨界閾值時,有最後一次機會完成複製(圖1)

而這項研究結果也將可能有助於解釋快速分裂的動物細胞(如在早期胚胎中沒有分裂間隙的階段)是如何確保完整的DNA複製的。

圖1 芽殖酵母在染色體分離開始後完成DNA合成

製版人:半夏

參考文獻

1. Coudreuse, D. & Nurse, P. Driving the cell cycle with a minimal CDK control network.Nature468, 1074–1079 (2010).

2. Hartwell, L. H. & Weinert, T. A. Checkpoints: controls that ensure the order of cell cycle events.Science246, 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.Nature528, 286–290 (2015).

5. Torres-Rosell, J. et al. Anaphase onset before complete DNA replication with intact checkpoint responses.Science315, 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. USA106, 14466–14471 (2009).

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