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).
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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).
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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).