前所未見(jiàn)的DNA復(fù)制過(guò)程！《自然》：染色體關(guān)鍵錯(cuò)誤的源頭找到了
2024-09-11 點(diǎn)擊量：627
在早期胚胎發(fā)育過(guò)程中，從最初的受精卵開(kāi)始，一次次有絲分裂構(gòu)成了不斷生長(zhǎng)的胚胎。而每一次分裂都伴隨著DNA復(fù)制，以確保每個(gè)子代細(xì)胞都含有完整的遺傳信息。當(dāng)然，這是理想狀態(tài)。實(shí)際情況是，在早期胚胎發(fā)育過(guò)程中，DNA復(fù)制時(shí)常出錯(cuò)、導(dǎo)致染色體分離異常，并且這種異常出現(xiàn)的頻率明顯高于體細(xì)胞。要知道，染色體分離異常是造成妊娠失敗和先天性遺傳疾病的重要原因。這些致病的錯(cuò)誤究竟是怎么發(fā)生的？由于缺乏在單細(xì)胞水平實(shí)時(shí)觀測(cè)早期胚胎的工具，這些問(wèn)題仍未得到解決。在一項(xiàng)近期發(fā)表于《自然》的研究中，日本理化學(xué)研究所生物系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中心的研究團(tuán)隊(duì)借助一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性分析技術(shù)，顛覆了數(shù)十年來(lái)對(duì)于早期胚胎DNA復(fù)制的看法。研究首次發(fā)現(xiàn)， 在最初的1細(xì)胞、2細(xì)胞期，DNA復(fù)制過(guò)程與既有的認(rèn)知截然不同；而作為過(guò)渡階段的4細(xì)胞期，則是一段容易出現(xiàn)染色體復(fù)制錯(cuò)誤的不穩(wěn)定時(shí)期，這正是大量異常出現(xiàn)的根源。在該研究中，研究團(tuán)隊(duì)使用了他們于2019年發(fā)表的單細(xì)胞DNA復(fù)制分析技術(shù)（single-cell DNA replication sequencing，簡(jiǎn)稱scRepli-seq）。這項(xiàng)技術(shù)可以對(duì)單個(gè)細(xì)胞在S期（即DNA合成期）的DNA復(fù)制狀態(tài)進(jìn)行高分辨率分析，同時(shí)還能以高分辨率檢測(cè)非整倍體。因此，這項(xiàng)能夠“拍攝”單個(gè)胚胎細(xì)胞DNA快照的技術(shù)，是研究小鼠早期胚胎中染色體復(fù)制異常的絕佳工具。以往對(duì)體細(xì)胞的研究，為我們展示了DNA復(fù)制的基本過(guò)程。首先對(duì)于整個(gè)染色體而言，不同區(qū)域并不是同時(shí)進(jìn)行DNA復(fù)制的，而是會(huì)按照特定的順序依次、有序地復(fù)制。對(duì)于每一個(gè)正在進(jìn)行復(fù)制的染色體區(qū)域，復(fù)制也并非從一個(gè)起點(diǎn)開(kāi)始，單向進(jìn)行的。我們知道，DNA復(fù)制首先需要解開(kāi)雙螺旋結(jié)構(gòu)、形成兩條DNA鏈。在這里，原始的雙螺旋和兩條子鏈組成了一個(gè)叉狀結(jié)構(gòu)，這就是代表了復(fù)制起點(diǎn)的復(fù)制叉。復(fù)制叉沿著DNA鏈移動(dòng)，開(kāi)始DNA復(fù)制。▲體細(xì)胞的DNA復(fù)制過(guò)程，其中不同區(qū)域依次進(jìn)行（圖片來(lái)源：參考資料[3]；日本理化學(xué)研究所）在體細(xì)胞中，復(fù)制叉的數(shù)量并不多——大約10萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)只有一個(gè)復(fù)制叉，但復(fù)制叉移動(dòng)的速度并不慢，因此整個(gè)S期需要8~10個(gè)小時(shí)。而當(dāng)研究團(tuán)隊(duì)利用scRepli-seq觀測(cè)小鼠胚胎從受精卵到囊胚期的動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)，他們看到了前所未見(jiàn)的DNA復(fù)制場(chǎng)景。▲利用scRepli-seq得到的不同階段早期胚胎成像，其中品紅色為染色體（圖片來(lái)源：參考資料[3]）在最初的1細(xì)胞和2細(xì)胞期，染色體的DNA復(fù)制不再是有序受控地進(jìn)行，而是在各個(gè)區(qū)域同時(shí)進(jìn)行，整個(gè)染色體都被均勻復(fù)制。而發(fā)生該過(guò)程的前提是，1細(xì)胞和2細(xì)胞期的復(fù)制叉非常多，密度是正常體細(xì)胞的5倍以上。有了這么多復(fù)制起點(diǎn)，整個(gè)DNA復(fù)制的過(guò)程是不是也要快上好幾倍呢？并不是。這些復(fù)制叉的移動(dòng)速度比體細(xì)胞慢很多，最終的S期長(zhǎng)度約為4~5小時(shí)。而到了8細(xì)胞期，無(wú)論是與體細(xì)胞相當(dāng)?shù)膹?fù)制叉移動(dòng)速度，還是與體細(xì)胞更接近的有序復(fù)制方式，這時(shí)的胚胎都表現(xiàn)出了接近體細(xì)胞的特征。那么在兩者之間的4細(xì)胞期，又發(fā)生了什么呢？研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，其中的故事更加奇幻。一方面，4細(xì)胞期的復(fù)制叉移動(dòng)和1、2細(xì)胞期一樣緩慢；另一方面，該階段存在明確的復(fù)制時(shí)序控制，這一點(diǎn)又與8細(xì)胞期和體細(xì)胞一致。也就是說(shuō)，4細(xì)胞期結(jié)合了早期胚胎與體細(xì)胞的特征。▲研究揭示了早期胚胎不同階段各自的DNA復(fù)制過(guò)程（圖片來(lái)源：參考資料[3]）更加令研究人員感到驚訝的是，作為過(guò)渡期的4細(xì)胞胚胎，還是染色體分離異常的重災(zāi)區(qū)。借助scRepli-seq技術(shù)，作者檢驗(yàn)了各階段的染色體分離異常。結(jié)果，在從4細(xì)胞向8細(xì)胞期轉(zhuǎn)變的階段，染色體分離異常的頻率極高，達(dá)到了13%，遠(yuǎn)高于胚胎的前后階段。其中，大部分分離異常是由染色體斷裂引起的，另外有少量來(lái)自整個(gè)染色體的缺失或獲得。此外，這些異常往往集中在S期晚期復(fù)制的區(qū)域中。進(jìn)一步的分析表明，這種異常可能由4細(xì)胞期的復(fù)制錯(cuò)誤導(dǎo)致，而復(fù)制錯(cuò)誤則與該階段復(fù)制叉的緩慢移動(dòng)有關(guān)。由于移動(dòng)緩慢，4細(xì)胞胚胎可能還沒(méi)來(lái)得及完成DNA復(fù)制就進(jìn)入了分裂期、在離開(kāi)未復(fù)制區(qū)域的同時(shí)進(jìn)行染色體分離，從而導(dǎo)致染色體分離異常。由此，這項(xiàng)研究在早期胚胎發(fā)育階段發(fā)現(xiàn)了全新的DNA復(fù)制機(jī)制、揭示了過(guò)渡期染色體分離異常頻繁發(fā)生的現(xiàn)象與原因。領(lǐng)導(dǎo)該研究的Ichiro Hiratani教授在理化學(xué)研究所的新聞報(bào)道中表示，這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了眾多新問(wèn)題，“例如，這一系列現(xiàn)象是否在其他物種（包括人類胚胎）中進(jìn)化保守？染色體畸變的細(xì)胞隨后命運(yùn)又會(huì)如何？” 在指導(dǎo)基礎(chǔ)研究之余，這一發(fā)現(xiàn)還將幫助制定更好的體外受精策略，并且或?qū)⒂兄谙嚓P(guān)發(fā)育障礙的研究與治療。[1] Takahashi, S., Kyogoku, H., Hayakawa, T. et al. Embryonic genome instability upon DNA replication timing program emergence. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07841-y[2] Chromosome copying errors pinpointed in embryo development. Retrieved Aug 28, 2024 from https://www.eurekalert.org/news-releases/1055954[3] https://www.riken.jp/press/2024/20240829_1/index.html
