Genome Biology：揭示转录调节DNA复制起始的分子机制

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Genome Biology：揭示转录调节DNA复制起始的分子机制
# T/ B7 F7 Q) V: c7 p1 @: M2 j来源：北京大学生命科学学院 2021-06-20 13:05
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DNA是主要的遗传物质，也是中心法则的源头。DNA代谢包括DNA复制、转录及DNA修复等。其中，DNA复制保证了遗传信息精确完整地传递，而转录则是细胞身份维持和功能调控的关键。DNA复制发生在整个染色质上，而转录则只发生在染色质上的转录区。如果这两个关键的细胞过程碰撞，犹如独木桥上狮虎相遇，会发生什么呢？研究表明，DNA复制和转录在转录区域的相遇会产生大量的DNA损伤[1， 2]。为了尽量规避这种损伤，Bruce Alberts等科学家发现，转录会尽量给DNA复制让路[3]；DNA复制也可能会尽量顺向而非对向跨越转录[2， 4]（模型阶段，仍待证明）。那么，转录是否就任由DNA复制调控呢？是否会趁DNA复制起始时处于弱势而反过来调控DNA复制呢？
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0 L: _  t, V7 o4 w' T2 E北京大学生命科学学院和北大-清华生命科学联合中心胡家志课题组在Genome Biology在线发表了题为“Transcription shapes DNA replication initiation to preserve genome integrity”的研究论文。在这项工作中，作者利用遗传学和基因组学的方法阐明了哺乳动物中转录调控DNA复制起始以维持基因组稳定性的机理，对于上述问题给出了肯定的答案，这是对中心法则各进程现有调控关系的一个重要补充。9 J9 C2 p1 M, Z  U

  R5 x& ~5 s& S9 E  ?' n! q% u! H“工欲善其事，必先利其器。”作者首先开发了一种基于双核酸类似物次序插入的测序方法，将DNA复制的单分子金标准方法改造成了一种高通量的测序方法。利用该方法，他们发现了人和小鼠细胞中转录与DNA复制起始的相互排斥现象，即DNA复制起始仅发生在非转录区域，被限制在转录区域之外。进而，利用多种方法抑制转录，他们发现转录终止或抑制之后，DNA复制起始会侵入原本不能进入的转录区域（图1，红色）。进一步，他们发现DNA复制起始的位置改变与DNA复制起始的标志性解旋酶MCM在染色质上的重新排布密切相关（图1，紫色）。而处于DNA复制起始通路更上游的ORC复合体的位置则基本不变（图1，绿色）。该发现与已经发现的ORC和MCM的解偶联现象一致。他们的发现说明转录是促进这一解偶联现象的因素之一，并且转录具有调控DNA复制起始的能力且会抑制DNA复制起始在转录区域的发生。
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- G4 ?, ?! K- P( |9 e下一步，作者利用基因编辑工具Cas9的核酸酶失活形式（dCas9）来阻碍特定基因的转录。他们发现dCas9对转录过程的拦截会导致DNA复制起始的标志性解旋酶MCM在拦截位置的轻微富集并进一步引起DNA复制起始（图2，左图）。该结果暗示转录可能通过直接重新部署MCM蛋白以调控DNA复制起始。更为有趣的是，这个结果还说明DNA上的“障碍”结构可能也会引起DNA复制起始，且这个过程可能并不是严格的DNA序列依赖。这与目前的一些研究发现相一致，如DNA二级结构G4被认为是一种有效的复制起始位点[5]。
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5 d8 X- p3 _* H7 L: [- J' v那么，转录为何要“奋起抗争”，主动调节DNA复制起始呢？作者发现DNA复制过程会在起始位点附近产生大量的DNA损伤，与其它实验室早期的发现一致[6]。同样的DNA损伤发生在基因区域和非基因区域对基因组稳定性的意义显着不同，发生在基因上的DNA损伤对于细胞的功能会有更大的潜在危害。由此，作者提出了“转录推土机”模型来解释转录对DNA复制起始的这一调控现象（图2，右图）。这些发现也引出一系列尚未回答的重要DNA代谢问题：如“DNA复制这一关键生物学过程为何会诱发大量的损伤，成为大多数肿瘤的主因？”“作为转录和DNA复制的载体，染色质结构可以显着调控转录，那么它们是如何影响DNA复制呢？”等等。(生物谷Bioon.com）
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