Nature最新發(fā)現(xiàn)顛覆了幾十年來關(guān)于DNA復(fù)制的假設(shè)

來源：作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2024-08-30 09:45:00【大中小】

摘要：日本理化學(xué)研究所生物系統(tǒng)動力學(xué)中心(BDR)的研究人員的一項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)顛覆了幾十年來關(guān)于DNA復(fù)制的假設(shè)。

日本理化學(xué)研究所生物系統(tǒng)動力學(xué)中心(BDR)的研究人員的一項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)顛覆了幾十年來關(guān)于DNA復(fù)制的假設(shè)。

Ichiro Hiratani及其同事在8月28日發(fā)表在《自然》(Nature)雜志上的實(shí)驗(yàn)表明，早期胚胎的DNA復(fù)制與過去的研究結(jié)果不同，其中包括一段不穩(wěn)定時(shí)期，這段時(shí)期容易出現(xiàn)染色體復(fù)制錯(cuò)誤。由于妊娠失敗和發(fā)育障礙通常與染色體異常有關(guān)，這一發(fā)現(xiàn)可能會影響生殖醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，也許會帶來體外受精(IVF)方法的改進(jìn)。

圖1 DNA復(fù)制定時(shí)程序出現(xiàn)時(shí)胚胎基因組的不穩(wěn)定性

在胚胎發(fā)生過程中，最初的受精卵分裂，每一組新的子細(xì)胞也分裂。到受精后的第三天，胚胎經(jīng)歷了三次分裂，含有16個(gè)細(xì)胞。每次細(xì)胞分裂都伴隨著DNA復(fù)制，確保每個(gè)子細(xì)胞都包含整個(gè)基因組的拷貝。

在RIKEN BDR研究小組的新研究中，研究人員開始描述早期胚胎中DNA復(fù)制過程的性質(zhì)。他們使用自制的單細(xì)胞基因組技術(shù)，稱為scRepli-seq，并將其應(yīng)用于發(fā)育小鼠胚胎。利用這項(xiàng)技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)能夠在DNA復(fù)制期間的不同時(shí)間拍攝單個(gè)胚胎細(xì)胞DNA的快照。他們的發(fā)現(xiàn)與科學(xué)家們對胚胎中DNA復(fù)制的假設(shè)相矛盾。

Hiratani說:“我們在小鼠早期胚胎發(fā)育過程中發(fā)現(xiàn)了多種特殊類型的DNA復(fù)制，這是以前沒有人見過的。此外，我們還發(fā)現(xiàn)，在某些時(shí)候，基因組DNA會暫時(shí)不穩(wěn)定，染色體畸變會增加。”

教科書告訴我們，DNA 并不是一次性復(fù)制完成的。相反，染色體的不同區(qū)域會按照特定的順序進(jìn)行復(fù)制。

該團(tuán)隊(duì)的第一個(gè)發(fā)現(xiàn)是，在成熟細(xì)胞中觀察到的復(fù)制時(shí)序域直到胚胎有4個(gè)細(xì)胞時(shí)才存在。這意味著與最終身體中的其他細(xì)胞不同，DNA在1細(xì)胞和2細(xì)胞胚胎中是均勻復(fù)制的，而不是按順序復(fù)制的。每當(dāng)染色體的一部分展開復(fù)制時(shí)，DNA區(qū)域就會展開，形成一個(gè)看起來像岔路口的結(jié)構(gòu)。為了繼續(xù)復(fù)制，分叉必須沿著DNA鏈向下移動，重新壓縮被復(fù)制的區(qū)域，并解壓縮下一部分。

研究小組的第二個(gè)發(fā)現(xiàn)是，在胚胎發(fā)生的第1、2和4個(gè)細(xì)胞階段，分叉的速度比8個(gè)細(xì)胞階段要慢得多。4細(xì)胞胚胎現(xiàn)在可以看作是一個(gè)過渡階段，在此期間，統(tǒng)一的DNA復(fù)制變得順序，同時(shí)仍然表現(xiàn)出1細(xì)胞和2細(xì)胞胚胎緩慢的叉運(yùn)動特征。相比之下，8細(xì)胞胚胎更類似于成熟細(xì)胞，表現(xiàn)出順序復(fù)制和快速分叉運(yùn)動。在受精后的最初幾天里，DNA復(fù)制的錯(cuò)誤經(jīng)常導(dǎo)致染色體不規(guī)則，如額外的拷貝、缺失的拷貝、拷貝斷裂或不完整的拷貝。其中一些復(fù)制錯(cuò)誤會導(dǎo)致流產(chǎn)，而另一些則會導(dǎo)致發(fā)育障礙，如唐氏綜合癥，也被稱為21三體。

圖2 小鼠植入早期胚胎的scRepli-seq分析

該團(tuán)隊(duì)的第三個(gè)發(fā)現(xiàn)是染色體復(fù)制錯(cuò)誤的頻率在早期胚胎中暫時(shí)升高，最常見的是在4細(xì)胞階段。研究人員再次使用了scRepli-seq，這一次用于檢測染色體拷貝數(shù)異常。他們發(fā)現(xiàn)，在1細(xì)胞和2細(xì)胞階段或8細(xì)胞和16細(xì)胞階段之間的轉(zhuǎn)變過程中，很少發(fā)生錯(cuò)誤。

另一方面，13%的細(xì)胞在4細(xì)胞期和8細(xì)胞期之間的過渡期間表現(xiàn)出染色體異常，可能是由于4細(xì)胞期的復(fù)制錯(cuò)誤。進(jìn)一步的測試表明，這個(gè)階段的復(fù)制錯(cuò)誤與緩慢移動的分叉有關(guān)。

“我們的發(fā)現(xiàn)引出了許多新的問題，例如，這一系列現(xiàn)象在包括人類胚胎在內(nèi)的其他物種中是否進(jìn)化保守? 染色體畸變細(xì)胞的后續(xù)命運(yùn)又是怎樣的呢?”

除了指導(dǎo)未來的基礎(chǔ)研究外，這一發(fā)現(xiàn)還可以幫助受精診所制定更好的策略，以最大限度地減少受精后最初幾天常見的染色體異常。

參考資料

[1] Embryonic genome instability upon DNA replication timing program emergence