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PNAS 丨 孙育杰课题组、谢晓亮课题组揭示染色质构象如何调控DNA复制

时间:2020/06/17   放大字体 放小字体 打印

  哺乳动物细胞基因组在时间上的有序复制被称作“复制时间程序” (replication timing program),很大程度上影响了基因组的稳定性及其功能【1】。研究发现在时间上离散的“复制域”(replication domain,RD)中包含多个潜在的复制起始位点(replication origin),而在每个细胞周期中,只有约10%的复制起始位点被激活用以完成DNA复制【2】。

  近期的高通量测序研究揭示在基因组中,复制域与染色质中普遍存在的结构性拓扑关联域(topologically associating domain,TAD)共享相同的边界,显示拓扑关联域TAD是复制域RD的稳定调控单元【3】,并且暗示染色质的结构对于DNA复制起始有着至关重要的作用。

  近日,北京大学生物医学前沿创新中心(BIOPIC)孙育杰课题组谢晓亮课题组合作在PNAS上发表题为Super-resolution Imaging Reveals Spatio-temporal Propagation of Human Replication Foci Mediated by CTCF-organized Chromatin Structures(超高分辨显微技术揭示了由CTCF介导的染色质结构决定的复制斑的时空传播)的文章。

  在文中,为了理解在一个复制域(400~800 kbp,200~500 nm)中被激活的复制起始位点是如何在时间和空间上组织分布的,研究人员在哺乳动物的细胞核中结合时序荧光标记、免疫荧光标记和超高分辨显微成像技术(STORM)直接观察了单个复制斑(replication focus,即复制域在细胞内的成像学定义)的时空分布和组织。

  研究者们定量地分析了复制斑的分布、物理形态、原位序列长度和其中包含的复制子个数,并首次表征了单个复制斑的原位表观遗传学标记,揭示了它们在细胞周期的S期中的高分辨动态变化。对复制斑进行的时序标记发现DNA复制在时空上呈现出一种有序的分布模式:在空间上,先复制的DNA被后复制的DNA包裹,显示复制域内部的DNA复制在空间上呈现出沿轴向向外的传播。

  随后,研究者们发现DNA复制的这种空间特异的分布特征在CTCF敲低的细胞中消失了,而CTCF是一个重要的染色质结构的组织分子,介导了染色质环状结构的生成。CTCF在复制起始位点筛选中的重要性又进一步被生物信息学分析证实,即DNA复制时间测序数据和CTCF染色质免疫共沉淀数据有很高的相关性。

  最后结合计算机仿真模拟不同的染色质构象和复制起始进程,本文的超分辨成像数据呈现了一个全新的“由CTCF组织的染色质结构调控的DNA复制传播”(CoREP)模型,解释了之前研究发现的单个复制域中多个复制起始位点发生同步激活的现象。本研究阐明了在亚复制域RD层面上复制起始位点筛选和激活并非是随机的,从而揭示了染色质构象在调控DNA复制中的重要作用。

  孙育杰(北京大学BIOPIC,膜生物学国家重点实验室研究员),谢晓亮(北京大学BIOPIC,ICG主任),赵自清(新加坡国立大学助理教授)和苏乾博士(悉尼科技大学)为本文的共同通讯作者。苏乾博士和赵自清博士为本文的共同第一作者。北京大学生物医学前沿创新中心丁淼、张微微、李永正、刘孟竺、李荣琴,北京大学化学学院教授、BIOPIC&ICG研究员高毅勤孟路明博士亦对本文做出了重要贡献。

  本研究得到了国家重点研发计划(编号:2017YFA0505300)和国家基金委杰出青年基金(编号:21825401)对孙育杰的资助,以及北京未来基因诊断高精尖创新中心对谢晓亮的资助。

参考资料

[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.