生命科學學院胡家志實驗室揭示轉錄調節DNA複製起始的分子機制

DNA是主要的遺傳物質,也是中心法則的源頭。DNA代謝包括DNA複製、轉錄及DNA修復等。其中,DNA複製保證了遺傳信息精確完整地傳遞,而轉錄則是細胞身份維持和功能調控的關鍵。DNA複製發生在整個染色質上,而轉錄則只發生在染色質上的轉錄區。如果這兩個關鍵的細胞過程碰撞,猶如獨木橋上獅虎相遇,會發生什麼呢?研究表明,DNA複製和轉錄在轉錄區域的相遇會產生大量的DNA損傷[1, 2]。為了儘量規避這種損傷,Bruce Alberts等科學家發現,轉錄會盡量給DNA複製讓路[3];DNA複製也可能會盡量順向而非對向跨越轉錄[2, 4](模型階段,仍待證明)。那麼,轉錄是否就任由DNA複製調控呢?是否會趁DNA複製起始時處於弱勢而反過來調控DNA複製呢?

2021年6月9日,北京大學生命科學學院和北大-清華生命科學聯合中心胡家志課題組在Genome Biology在線發表了題為“Transcription shapes DNA replication initiation to preserve genome integrity”的研究論文。在這項工作中,作者利用遺傳學和基因組學的方法闡明瞭哺乳動物中轉錄調控DNA複製起始以維持基因組穩定性的機理,對於上述問題給出了肯定的答案,這是對中心法則各進程現有調控關係的一個重要補充。

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圖1. 轉錄抑制前後,DNA複製起始、ORC2和MCM5在染色質上的分佈。熱圖所示的中線為開放染色質區的非轉錄區。信號強弱用顏色深淺表示。

“工欲善其事,必先利其器。”作者首先開發了一種基於雙核酸類似物次序插入的測序方法,將DNA複製的單分子金標準方法改造成了一種高通量的測序方法。利用該方法,他們發現了人和小鼠細胞中轉錄與DNA複製起始的相互排斥現象,即DNA複製起始僅發生在非轉錄區域,被限制在轉錄區域之外。進而,利用多種方法抑制轉錄,他們發現轉錄終止或抑制之後,DNA複製起始會侵入原本不能進入的轉錄區域(圖1,紅色)。進一步,他們發現DNA複製起始的位置改變與DNA複製起始的標誌性解旋酶MCM在染色質上的重新排布密切相關(圖1,紫色)。而處於DNA複製起始通路更上游的ORC複合體的位置則基本不變(圖1,綠色)。該發現與已經發現的ORC和MCM的解偶聯現象一致。他們的發現説明轉錄是促進這一解偶聯現象的因素之一,並且轉錄具有調控DNA複製起始的能力且會抑制DNA複製起始在轉錄區域的發生。

下一步,作者利用基因編輯工具Cas9的核酸酶失活形式(dCas9)來阻礙特定基因的轉錄。他們發現dCas9對轉錄過程的攔截會導致DNA複製起始的標誌性解旋酶MCM在攔截位置的輕微富集並進一步引起DNA複製起始(圖2,左圖)。該結果暗示轉錄可能通過直接重新部署MCM蛋白以調控DNA複製起始。更為有趣的是,這個結果還説明DNA上的“障礙”結構可能也會引起DNA複製起始,且這個過程可能並不是嚴格的DNA序列依賴。這與目前的一些研究發現相一致,如DNA二級結構G4被認為是一種有效的複製起始位點[5]。

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圖2. DNA複製起始於轉錄障礙位點及“轉錄推土機”模型。a) 轉錄障礙實驗原理及結果。b)轉錄推土機模型:G1期,MCM雙六聚體(MCM-DH)可被ORC裝載於轉錄區,而後被RNA聚合酶II推動至下游非轉錄區,直到進入S期複製起始。轉錄抑制時,MCM可停留在轉錄區,S期時則在轉錄區起始複製。

那麼,轉錄為何要“奮起抗爭”,主動調節DNA複製起始呢?作者發現DNA複製過程會在起始位點附近產生大量的DNA損傷,與其它實驗室早期的發現一致[6]。同樣的DNA損傷發生在基因區域和非基因區域對基因組穩定性的意義顯著不同,發生在基因上的DNA損傷對於細胞的功能會有更大的潛在危害。由此,作者提出了“轉錄推土機”模型來解釋轉錄對DNA複製起始的這一調控現象(圖2,右圖)。這些發現也引出一系列尚未回答的重要DNA代謝問題:如“DNA複製這一關鍵生物學過程為何會誘發大量的損傷,成為大多數腫瘤的主因?”“作為轉錄和DNA複製的載體,染色質結構可以顯著調控轉錄,那麼它們是如何影響DNA複製呢?”等等。

胡家志研究員為該論文的通訊作者。生命科學學院博士後劉陽、博士研究生艾晨及前沿交叉學科學院博士研究生甘婷婷為該論文的共同第一作者。吳錦淳、蔣永鵬、劉栩豪、盧如森在該工作中亦有重要貢獻。該研究還獲得了北京大學染色質維態研究中心的高寧教授、李晴教授和季雄研究員的支持與合作。該工作得到了北大-清華生命科學聯合中心、科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金、細胞增殖與分化教育部重點實驗室以及生命科學學院儀器中心(成像平台及流式平台)的大力支持。

參考文獻

1.Garcia-Muse T, Aguilera A: Transcription-replication conflicts: how they occur and how they are resolved.Nat Rev Mol Cell Biol 2016, 17:553-563.

2.Hamperl S, Bocek MJ, Saldivar JC, Swigut T, Cimprich KA: Transcription-Replication Conflict Orientation Modulates R-Loop Levels and Activates Distinct DNA Damage Responses.Cell 2017, 170:774-786 e719.

3.Liu B, Wong ML, Tinker RL, Geiduschek EP, Alberts BM: The DNA replication fork can pass RNA polymerase without displacing the nascent transcript.Nature 1993, 366:33-39.

4.Chen YH, Keegan S, Kahli M, Tonzi P, Fenyo D, Huang TT, Smith DJ: Transcription shapes DNA replication initiation and termination in human cells.Nat Struct Mol Biol 2019, 26:67-77.

5.Valton AL, Hassan-Zadeh V, Lema I, Boggetto N, Alberti P, Saintome C, Riou JF, Prioleau MN: G4 motifs affect origin positioning and efficiency in two vertebrate replicators.EMBO J 2014, 33:732-746.

6.Tubbs A, Sridharan S, van Wietmarschen N, Maman Y, Callen E, Stanlie A, Wu W, Wu X, Day A, Wong N, et al: Dual Roles of Poly(dA:dT) Tracts in Replication Initiation and Fork Collapse.Cell 2018, 174:1127-1142 e1119.

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