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DNA的精確複製對於維持基因組穩定性至關重要。然而複製叉時常會遭受來自細胞內外的複製壓力而停滯，如果無法及時重新起始，將造成複製叉崩塌，影響基因組穩定性甚至導致細胞死亡。1976年Higgins N. Patrick等人在研究複製相關的損傷修復時，在哺乳動物細胞中觀察到了一種Holliday Junction的結構。他們猜測該結構形成的原因是複製叉停滯後，兩條新合成的DNA子鏈與親代DNA鏈解開後發生退火而翻轉，進而將正常的複製叉結構重塑成Holliday Junction結構（圖一），該過程也被稱為複製叉翻轉。
由於Holliday Junction結構的形狀與雞爪相似，生物化學教科書中也通常將其稱為「雞爪結構 (chicken foot)」。受檢測技術的限制，直到2002年José M. Sogo等人才在檢驗點缺陷的酵母細胞中觀察到「雞爪結構」，「雞爪結構」也因此被認為是複製失敗的副產物，其生理意義一直存在爭議。近年來研究表明，在高等真核生物細胞中，複製叉翻轉是由PARP1介導的應對複製壓力的關鍵調控機制，酵母中由於缺乏PARP基因，因而在正常生理條件下極少能夠觀察到「雞爪結構」的存在。
2020年12月8日，浙江大學黃俊課題組在Molecular Cell雜誌上發表文章The ZATT-TOP2A-PICH Axis Drives Extensive Replication Fork Reversal to Promote Genome Stability，提出了複製叉翻轉時「雞爪結構」形成的機制以及在維持基因組穩定中的功能。
黃俊實驗室在電鏡下觀察「雞爪結構」時，注意到翻轉的第四條鏈的長度可以達到數千鹼基對。顯而易見的是，在複製叉翻轉過程中，新合成的鏈與親代DNA鏈解開將會在位於複製叉後方新合成的DNA雙鏈上產生拓撲張力，進而抑制複製叉的進一步翻轉。因此他們猜測複製叉在翻轉過程中需要通過拓撲異構酶釋放拓撲張力，促進複製叉的深度翻轉（圖二）。
他們通過EM (Electron Microscope)、single-molecular DNA fiber、iPOND (isolation of proteins on nascent DNA)、PLA (Proximity Ligation Assay)等實驗手段發現拓撲異構酶TOP2A正是釋放複製叉翻轉過程中產生的拓撲張力的關鍵因子。TOP2A通過感應拓撲張力而被募集到停滯的複製叉處，在釋放拓撲張力的同時招募SUMO化修飾的E3連接酶ZATT對自身進行SUMO化修飾，進而招募下遊SUMO靶向的轉位酶PICH對複製叉進行進一步翻轉。
該研究首次提出了「雞爪結構」是通過兩步級聯反應而形成的新模型（圖二）。第一步，在複製叉遭遇複製壓力時，複製叉發生停滯，由轉位酶HLTF、ZRANB3、SMARCAL1等蛋白催化複製叉的初始翻轉，同時在複製叉後方新合成的DNA雙鏈上產生拓撲張力；第二步，拓撲異構酶TOP2A釋放拓撲張力，並通過SUMO化修飾招募轉位酶PICH促進複製叉的深度翻轉。進一步的功能研究表明，複製叉的深度翻轉對於維持基因組穩定性至關重要。
浙江大學黃俊博士實驗室的博士研究生田甜、卜敏、陳旭、丁林麗和陽玉蘭為論文共同第一作者，黃俊教授為通訊作者。該研究工作也得到了北京大學李晴教授的大力支持。
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.molcel.2020.11.007