北大科研進展

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PNAS│孔道春實驗室在染色質結構形成及DNA復制叉穩定性維持的分子機制方面取得重大發現

100年前,研究人員發現染色體上有非常緊密的區域,并提出了異染色質結構這個概念(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,研究人員進一步發現在多細胞生物染色體上,~25%-90%的染色體區域具有異染色質結構 (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結構與基因組穩定、基因表達水平調控、細胞生長與分裂、細胞分化等直接相關 (Allshire & Madhani (2018). Ten principles of heterochromatin formation and function. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 19: 229-244)。但是,經過100年的研究,產生組成性異染色質結構的根本機制還沒有被確定。

        DNA復制是核心生物事件,其發生在染色體上。當DNA復制叉沿著染色體DNA移動并復制、合成DNA時,它會碰到許多內源的DNA復制叉停頓點。這些停頓點的大部分應該是由DNA二級結構導致的。各種DNA重復序列往往能形成多類型的DNA二級結構。 人細胞染色體DNA大約有30-50萬個復制叉停頓點。已證明停頓的DNA復制叉是不穩定的,需要嚴格的細胞調控,以維持其穩定、防止它垮塌,保持基因組完整性。也已證明Checkpoint(細胞周期檢驗點)是維持停頓復制叉穩定、防止其垮塌的一個必須細胞調控。如果停頓的DNA復制叉垮塌,將產生各種基因變異。大數據統計表明~66%的癌癥是DNA復制錯誤產生的(Tomasetti et al. (2017), Stem cell divisions, somatic mutations, cancer etiology, and cancer prevention. Science, 355: 1220-1334)。DNA復制叉垮塌被認為是DNA復制錯誤的主要源泉。然而,在過去二三十年,該研究領域的進展不大,細胞調控維持停頓復制叉穩定的分子機制所知甚少。

    最近,孔道春實驗室研究發現,當DNA復制叉停頓后,停頓DNA復制叉周圍的染色質結構變得更加緊密;并證明組蛋白去乙酰化、H3K9三甲基化等是復制叉停頓誘導的染色質結構變得更加緊密的一個重要方面。進一步研究發現,如果DNA復制叉停頓誘發的緊密染色質結構被破壞,DNA復制解旋酶將離開DNA復制叉,導致復制叉垮塌。研究還發現該調控不受Checkpoint調控影響。因此,本工作發現了一種跟DNA復制檢驗點(checkpoint)平行的全新細胞調控機制。通過調控核小體,改變組蛋白修飾,在停頓的復制叉周圍形成更緊密的染色體結構,從而防止復制叉垮塌、基因突變、細胞死亡或癌變。這一調控機制被命名為“The Chromsfork Control”:Chromatin Compaction Stabilizes Stalling Replication Forks (見下圖)。將來的工作將闡明該細胞調控/研究領域的詳細分子機制 (包括確定sensors,mediators, 及effectors)。

       檢查已知的異染色質區,幾乎都存在DNA復制叉停頓/障礙點。 孔道春實驗室研究也證明這些天然復制叉停頓點 (ntative replication barrier sites)能激活The Chromsfork Control, 導致該區域染色質更緊密,變成異染色質區域(未發表工作)。因此,基于這些發現,他們認為復制叉停頓誘發的染色質緊密結構應該是異染色質形成的最根本機制或根本機制之一。一旦異染色質結構的形成被起動,輔助一些其它生化機制,最終在某一個特定染色體區域形成異染色質結構。

The Chromsfork Control的發現,將推動對于異染色質結構形成機制的理解,也將極大推動對于細胞如何維持DNA復制叉穩定、保持基因組完整的分子機制理解。

 

 

The Chromsfork Control調控模式圖

 

2019年7月1日,該科學發現以長文形式在線發表在國際著名期刊PNAS上。論文題目是“Replication fork stalling elicits chromatin compaction for the stability of stalling replication forks”。北京大學孔道春教授為本文的通訊作者,北京大學博士后馮剛(現在福建醫科大學獨立研究基因組穩定性機制)和博士生袁越為本文的并列第一作者,北京大學博士生李澤陽、王露、張波、羅杰琛和北京大學紀建國教授對本文有重要貢獻。該研究得到北大-清華生命科學聯合中心,國家重大科學研究計劃,國家重點研發計劃,國家自然科學基金,蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室,以及北京大學生命科學學院的支持。

 

原文鏈接:https://www.pnas.org/content/early/2019/06/25/1821475116

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