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DNA复制是生命体最基础的生物学经由，收尾着遗传信息的精准传递。复制源激活变成的一双“Y”形姐妹复制叉（sister replication forks），以相背标的进行复制，直至与另一个相向行进的复制叉相见，发生复制阔别（1）。早期，范围内对DNA复制的深切主要缔造在一些浅近款式生物的酌量上，中枢问题在于深切复制肇端、延迟和阔别经由以及复制进度的细胞周期调控，并告捷独揽芽殖酵母的纯化卵白在体外重建了真核生物的DNA复制肇端经由，已毕了从复制源识别到复制叉变成的通盘这个词生化经由（2）。
尽管在款式生物中的酌量获得了留意推崇，咱们对高档哺乳动物DNA复制的深切仍然仅仅冰山一角。DNA复制发生在染色质上，因而会受到染色质环境偏激它DNA代谢经由的调控。酵母的DNA含量仅为东谈主细胞的1/500，且仅具有相对浅近、初步的染色质结构（3），而高档哺乳动物的基因组巨大，其染色质高度折叠，在细胞核里面变成弘大的“染色质河山”，其中每条染色体王人具有十分复杂的层级结构（4）。在这么的情况下，施行DNA复制的分子机器并非伶仃存在，而是可能在空间上相互蚁合，变成“复制工场（replication factory）”，有规则地施行复制经由（5）。因此，哺乳动物的DNA复制既会受到染色质环境的调控和敛迹，又需要有组织地运行，不停调和与其它DNA代谢事件的关系，在保证DNA和表不雅遗传信息踏实遗传的同期真贵基因组的踏实性（5-7）。跟着酌量技艺的发展和酌量数据的累积，在将来，系统性、合座性地酌量东谈主类复杂染色质环境下的DNA复制将是一个势必趋势。哺乳动物复制系统的复杂性给酌量带来了巨大挑战，也以致范围内对东谈主类自己DNA复制的私有机制了解尚不深入。此外，高通量、高分辨率酌量技艺也坚苦，导致当前这一范围的发展仍然处于低级阶段。
2024年3月15日，北京大学生命科学学院和北大-清华生命科学统一中心胡家志酌量员课题组在Science发表了题为“Fork coupling directs DNA replication elongation and termination”的酌量论文，该酌量缔造了首个检测DNA复制叉隔邻染色质相互作用的技艺，并发当前东谈主类和小鼠细胞的DNA复制经由中，复制叉并非传统模子中合计的孤苦反方上前进，而是相互之间大致以偶联的局面抓续相互作用，协同完成通盘这个词复制延迟经由，并指引复制阔别（图3）。
论文截图
课题组领先缔造了一种名为Repli-HiC的高通量测序技艺，该技艺独揽核苷不异物BrdU瞬时标识复制经由中的细胞，并衔尾ChIA-PET和原位Hi-C的技艺旨趣检测复制经由中重生DNA区域关系的染色质相互作用。通过Repli-HiC得到的染色质互作矩阵，酌量者在东谈主类K562细胞和小鼠胚胎干细胞中不雅察到垂直于互作矩阵对角线的染色质互作信号，其局面不异于喷泉结构，故将其定名为染色质喷泉，并独揽新开拓的生物信息学算法Fun，在基因组范围内已然出了数千个喷泉位点（图1）。
图1. Fun算法已然到的染色质喷泉位点在基因组上的漫衍情况男同 sex
衔尾课题组先前开拓的基于核苷不异物插入检测DNA复制肇端事件的测序技艺NAIL-seq（7）以及用于已然DNA复制事件的冈崎片断测序OK-seq（8），该酌量进一步发现染色质喷泉的变成可能和DNA复制经由邃密策划，并根据它们的结构特征和变成款式将其辨认为两大基本类型：第一类和第二类染色质喷泉。其中，第一类喷泉结构的延迟长度较短（中位数为160kb）、宽度较窄，结构的开动位置和复制肇端区域相对应，而延迟的结尾与复制阔别区共定位。该结构示意着从团结个肇端源发生的一双姐妹复制叉从复制的肇端位置动手，便以偶联的局面抓续地相互作用在沿途，按照约莫绝顶的速率进行双向复制，直至复制阔别区域（图2 A和2B）。同期，这类喷泉结构也示意着姐妹复制叉双生子（replication twinsome）结构可能是复制工场的基础单位，为复制工场表面提供了穷困的分子凭证。第二类喷泉的延迟长度较长（中位数为1Mb摆布）、宽度较宽，且喷泉结构的中心坐落于复制阔别区域发生的位置，两侧结尾则存在DNA复制肇端事件。该结构标明来自于两个不同复制肇端区域的复制叉，也在染色质相互作用下有契机成对偶联，由两侧向中心区域相向行进，直至到达复制阔别区域（图2 C和2D）。这标明DNA复制阔别是一个预决定的事件，而非一个当场发生的复制叉碰撞事件（图3）。
图2. DNA复制叉偶联。A—D 偶联的姐妹复制叉（A和B）和相向行进复制叉（C和D）分别变成第一类和第二类染色质喷泉结构。在A和C中，EdU/HU已然早期复制肇端；OK-seq已然复制肇端（由负到正）和阔别（由正到负）。浅绿色布景中展示了Repli-HiC分析复制肇端、延迟和阔别阶段的二维矩阵示意图
综上，该酌量是范围内初次在高档哺乳动物细胞中系统分解DNA复制叉在染色质环境下成对偶联延迟的空间组织款式，不仅复古复制工场的基本模子，提议了DNA复制阔别的预决定模子，颠覆了传统教科书中的模子（图3），更为系统性酌量DNA复制、基因组踏实性和关系生理疾病的发生提供了全新的视角和表面基础，同期扩充出一系列穷困的科常识题：复制叉偶联的结构基础、分子机制及背后的生理学真谛真谛是什么，复制叉的偶联经由怎样受到染色质环境偏激它DNA代谢事件的调控等。总之，该酌量为DNA复制范围铺平了谈路。
图3. 复制的经典模子和本责任提议的复制叉的偶联模子。传统模子合计相互分离的DNA复制叉施行复制延迟和阔别。本责任发现DNA复制叉在通盘这个词复制经由中并不是伶仃的，而以相互偶联的变成指引DNA合成
该责任由胡家志和北京大学生命科学学院和北大-清华生命科学统一中心李晴造就、孔谈春造就、高宁造就/季雄酌量员组合营完成，胡家志为该论文的通信作家。生命科学学院博士后刘阳博士、2021级博士酌量生张丁峥嵘及刘栩豪为该论文的共同第一作家。甘婷婷博士、艾晨博士、吴锦淳博士、梁昊昕、陈莫晗、郭岳峰、卢如森、蒋永鹏博士等在该责任中亦有穷困孝顺。该酌量还得到了北京大学生命科学学院吴虹造就、中科院生物物理所朱冰酌量员和浙江大学生命科学酌量院阮一骏造就的匡助和指引。该责任得到了国度当然科学基金、科技部及农业部的复古。
参考文件：
1 O'Donnell， M.， Langston， L. & Stillman， B. Principles and concepts of DNA replication in bacteria， archaea， and eukarya. Cold Spring Harb Perspect Biol 5， doi:10.1101/cshperspect.a010108 (2013).
2 Gasser， S. Once and Only Once. Cell 177， 495—498， doi:10.1016/j.cell.2019.03.034 (2019).
3 Shao， Y. et al. Creating a functional single-chromosome yeast. Nature 560， 331—335， doi:10.1038/s41586-018-0382-x (2018).
4 Finn， E. H. & Misteli， T. Molecular basis and biological function of variability in spatial genome organization. Science 365， doi:10.1126/science.aaw9498 (2019).
5 Vouzas， A. E. & Gilbert， D. M. Mammalian DNA Replication Timing. Cold Spring Harb Perspect Biol 13， doi:10.1101/cshperspect.a040162 (2021).
6 Wu， J. et al. Cohesin maintains replication timing to suppress DNA damage on cancer genes. Nat Genet 55， 1347—1358， doi:10.1038/s41588-023-01458-z (2023).
7 Liu， Y. et al. Transcription shapes DNA replication initiation to preserve genome integrity. Genome Biol 22， 176， doi:10.1186/s13059-021-02390-3 (2021).
8 Petryk， N. et al. Replication landscape of the human genome. Nat Commun 7， 10208， doi:10.1038/ncomms10208 (2016).
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