PNAS│孔道春實(shí)驗(yàn)室在染色質(zhì)結(jié)構(gòu)形成及DNA復(fù)制叉穩(wěn)定性維持的分子機(jī)制方面取得重大發(fā)現(xiàn)
100年前，研究人員發(fā)現(xiàn)染色體上有非常緊密的區(qū)域，并提出了異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)這個(gè)概念（Montgomery TH. (1901), A study of chromosomes of the germ cells of metazoan. Trans Am Phil Soc. 20: 154-136; Heitz E. (1928). Das heterochromatin der Moose. I. Jahrb Wiss Bot. 69: 762-818）。100年后，研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在多細(xì)胞生物染色體上，~25%-90%的染色體區(qū)域具有異染色質(zhì)結(jié)構(gòu) (Lander et al. (2001). Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature, 409: 860-921；Vicient & Casacuberta (2017). Impact of transoposable elements on polyploidy plant genome. Ann. Bot. 120:195-207)；并證明這些異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與基因組穩(wěn)定、基因表達(dá)水平調(diào)控、細(xì)胞生長與分裂、細(xì)胞分化等直接相關(guān) (Allshire & Madhani (2018). Ten principles of heterochromatin formation and function. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 19: 229-244)。但是，經(jīng)過100年的研究，產(chǎn)生組成性異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的根本機(jī)制還沒有被確定。
DNA復(fù)制是核心生物事件，其發(fā)生在染色體上。當(dāng)DNA復(fù)制叉沿著染色體DNA移動(dòng)并復(fù)制、合成DNA時(shí)，它會(huì)碰到許多內(nèi)源的DNA復(fù)制叉停頓點(diǎn)。這些停頓點(diǎn)的大部分應(yīng)該是由DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。各種DNA重復(fù)序列往往能形成多類型的DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)。 人細(xì)胞染色體DNA大約有30-50萬個(gè)復(fù)制叉停頓點(diǎn)。已證明停頓的DNA復(fù)制叉是不穩(wěn)定的，需要嚴(yán)格的細(xì)胞調(diào)控，以維持其穩(wěn)定、防止它垮塌，保持基因組完整性。也已證明Checkpoint（細(xì)胞周期檢驗(yàn)點(diǎn)）是維持停頓復(fù)制叉穩(wěn)定、防止其垮塌的一個(gè)必須細(xì)胞調(diào)控。如果停頓的DNA復(fù)制叉垮塌，將產(chǎn)生各種基因變異。大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明~66%的癌癥是DNA復(fù)制錯(cuò)誤產(chǎn)生的（Tomasetti et al. (2017), Stem cell divisions, somatic mutations, cancer etiology, and cancer prevention. Science, 355: 1220-1334）。DNA復(fù)制叉垮塌被認(rèn)為是DNA復(fù)制錯(cuò)誤的主要源泉。然而，在過去二三十年，該研究領(lǐng)域的進(jìn)展不大，細(xì)胞調(diào)控維持停頓復(fù)制叉穩(wěn)定的分子機(jī)制所知甚少。
最近，孔道春實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)DNA復(fù)制叉停頓后，停頓DNA復(fù)制叉周圍的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變得更加緊密；并證明組蛋白去乙?；?、H3K9三甲基化等是復(fù)制叉停頓誘導(dǎo)的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變得更加緊密的一個(gè)重要方面。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，如果DNA復(fù)制叉停頓誘發(fā)的緊密染色質(zhì)結(jié)構(gòu)被破壞，DNA復(fù)制解旋酶將離開DNA復(fù)制叉，導(dǎo)致復(fù)制叉垮塌。研究還發(fā)現(xiàn)該調(diào)控不受Checkpoint調(diào)控影響。因此，本工作發(fā)現(xiàn)了一種跟DNA復(fù)制檢驗(yàn)點(diǎn)（checkpoint）平行的全新細(xì)胞調(diào)控機(jī)制。通過調(diào)控核小體，改變組蛋白修飾，在停頓的復(fù)制叉周圍形成更緊密的染色體結(jié)構(gòu)，從而防止復(fù)制叉垮塌、基因突變、細(xì)胞死亡或癌變。這一調(diào)控機(jī)制被命名為“The Chromsfork Control”：Chromatin Compaction Stabilizes Stalling Replication Forks (見下圖)。將來的工作將闡明該細(xì)胞調(diào)控/研究領(lǐng)域的詳細(xì)分子機(jī)制 (包括確定sensors，mediators, 及effectors)。
檢查已知的異染色質(zhì)區(qū)，幾乎都存在DNA復(fù)制叉停頓/障礙點(diǎn)。 孔道春實(shí)驗(yàn)室研究也證明這些天然復(fù)制叉停頓點(diǎn) (ntative replication barrier sites)能激活The Chromsfork Control, 導(dǎo)致該區(qū)域染色質(zhì)更緊密，變成異染色質(zhì)區(qū)域（未發(fā)表工作）。因此，基于這些發(fā)現(xiàn)，他們認(rèn)為復(fù)制叉停頓誘發(fā)的染色質(zhì)緊密結(jié)構(gòu)應(yīng)該是異染色質(zhì)形成的最根本機(jī)制或根本機(jī)制之一。一旦異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成被起動(dòng)，輔助一些其它生化機(jī)制，最終在某一個(gè)特定染色體區(qū)域形成異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。
The Chromsfork Control的發(fā)現(xiàn)，將推動(dòng)對(duì)于異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)形成機(jī)制的理解，也將極大推動(dòng)對(duì)于細(xì)胞如何維持DNA復(fù)制叉穩(wěn)定、保持基因組完整的分子機(jī)制理解。
The Chromsfork Control調(diào)控模式圖
2019年7月1日，該科學(xué)發(fā)現(xiàn)以長文形式在線發(fā)表在國際著名期刊PNAS上。論文題目是“Replication fork stalling elicits chromatin compaction for the stability of stalling replication forks”。北京大學(xué)孔道春教授為本文的通訊作者，北京大學(xué)博士后馮剛（現(xiàn)在福建醫(yī)科大學(xué)獨(dú)立研究基因組穩(wěn)定性機(jī)制）和博士生袁越為本文的并列第一作者，北京大學(xué)博士生李澤陽、王露、張波、羅杰琛和北京大學(xué)紀(jì)建國教授對(duì)本文有重要貢獻(xiàn)。該研究得到北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心，國家重大科學(xué)研究計(jì)劃，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國家自然科學(xué)基金，蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，以及北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的支持。
原文鏈接：https://www.pnas.org/content/early/2019/06/25/1821475116
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