早期DNA復制啟動的協調工作可有效地防止DNA損傷

　　早期DNA復制發生在哺乳動物細胞中活躍的轉錄染色質區段內，這就提出了早期DNA復制如何與轉錄協調以避免碰撞和DNA損傷的直接問題。

　　2021年6月9日，來自北京大學胡家志等研究團隊在Genome Biology上在線發表了題為“Transcription shapes DNA replication initiation to preserve genome integrity”的研究論文，開發了一種高通量的核苷類似物整合測序方法，并在小鼠和人類細胞中識別了數千個早期復制起始區，發現轉錄的早期DNA復制啟動的協調工作有效地防止了DNA的嚴重損傷。

　　哺乳動物的基因組根據染色質的活性和組蛋白的修飾被分為與關鍵細胞過程相關的活性和非活性區段，而轉錄主要發生在活性染色質區段。早期的DNA復制是在活躍的染色質區間內開始的，隨后伸長到非活躍區間內。因此，早期DNA復制和基因轉錄都發生在活躍的染色質區間內，這就提出了一個關鍵的問題：這些過程如何在空間和時間上協調，以避免復制-轉錄的碰撞和隨后的。以前的研究表明，轉錄可能會影響DNA復制的啟動，但在哺乳動物細胞中這種相互作用的機制仍然難以確定。

　　與轉錄相反，DNA復制發生在整個基因組中，追蹤早期DNA復制需要精確識別基因組DNA復制起源和啟動區。復制起源在細菌和酵母中已被很好地描述，但它們在哺乳動物細胞中的位置仍不清楚。已有許多嘗試來確定哺乳動物細胞中的復制起始點和啟動區。

　　復制前復合體（pre-RC）成分的染色質免疫沉淀測序（ChIP-seq）是困難的，因為沒有針對起源識別復合體（ORC）和迷你染色體維持復合體（MCM）的高質量抗體。Repli-seq已被應用于探索確定復制時間的研究中，這些研究表明，復制域的大小為400至800kb。

　　dNTP合成抑制劑羥基脲（HU）可以誘導復制應激以減緩復制延伸，從而大大改善EdU標記的DNA復制起始區（EdU-seq-HU）實驗的分辨率。小的新生DNA鏈（SNS）已被用于繪制DNA復制起始點。此外，在DNA復制過程中產生的Okazaki片段（OK）也被用來確定啟動區，每個區域內有一個或多個起源。這些方法顯示，早期DNA復制的啟動發生在活躍的染色質區，其中也有轉錄發生。

　　復制啟動的過程需要ORC識別原點，MCM加載和MCM激活。在M期和G1期的后期，MCM復合物作為非活性的雙六聚體被加載，這一過程依賴于ORC。當細胞進入S期時，一部分MCM復合體被激活，開始解開雙鏈（ds）DNA，啟動兩個雙向移動的復制叉。ORC穩定地結合染色質，而環繞dsDNA的環形MCM雙六聚體可以沿著染色質滑動，解除ORC和MCM的耦合。

　　據報道，MCM在黑腹果蠅、爪哇魚卵提取物、異步化的人類HeLa細胞和2fTGH細胞中進行了重新分配，但這一過程的機制仍未被探索。RNA聚合酶是負責MCM重新分布的最可能的候選者之一。T7 RNA聚合酶可以在體外迫使酵母的MCM復合物從線性dsDNA上脫落。此外，RNA聚合酶II也能使MCM在芽殖酵母的核糖體DNA位點上重新定位。然而，哺乳動物細胞中轉錄機器對MCM的重新分配還沒有得到實驗證實。

　　該研究開發了一種新的檢測方法，即核苷類似物結合位點測序（NAIL-seq），以精確繪制全基因組早期復制起始區（ERIZs）。ERIZs主要位于開放染色質區的非轉錄區，與轉錄延伸區相互排斥。此外，轉錄的抑制導致MCM的重新分布和早期復制，而不是ORC的重新定位，在轉錄區。細胞未能阻止轉錄區的DNA復制啟動，導致了嚴重的DNA損傷。

　　總之，轉錄通過將MCM復合物重新分配到非轉錄區來調節早期DNA復制的啟動，以避免復制-轉錄碰撞，從而保持基因組的穩定性。