科研

Cell重磅!65年谜团终解开,科学家发现DNA复制新机制

自James Watson和Francis Crick 1953年发现DNA双螺旋结构以来,已经过去了65年。在细胞中,DNA及一些相关成分会定期精准复制,这在绝大部分生物体的整个生命过程中都是必不可少的。科学家们先后发现、证实了DNA复制的各种相关过程及机制。今年2月,Nature发表的一项相关研究更是首次阐明了DNA复制过程的突变机制,证明了Watson和Crick两位科学家60多年前提出的突变假设。但仍有一个谜团让科学家们疑惑不解:DNA复制似乎能够复原外界任何干扰对它产生的影响,DNA复制过程是如何被精准调控的?这也被称为DNA复制研究的最后一块拼图。

12月27日,Cell发表文章“Identifying cis Elements for Spatiotemporal Control of Mammalian DNA Replication”,报道了DNA复制过程中的一种新调控机制。该研究发现,DNA分子上的3个特定序列可组成早期复制调控元件(Early replicating control elements,ERCEs),能够调控DNA复制时间。该研究首次在基因组中精确定位了调控染色质结构和复制时间的特定DNA序列,DNA复制时间调控机制的神秘面纱终于被揭开。

研究概要图

虽然科学家现在几乎能够详尽的描述DNA的复制过程,并展示其在不同细胞类型和疾病中的变化。但人们一直没发现能够在时间上调控DNA复制的分子或DNA序列。为了更好的研究DNA复制过程,研究人员在DNA分子上进行了近100个基因突变,但结果并不理想。但最终他们想出了一个解决办法,就是以尽可能高的3D分辨率检测观察DNA的单个片段。

研究人员发现沿着DNA分子,有3个序列会频繁的相互接触。为深入探索这一发现,研究人员在小鼠胚胎干细胞中构建了一系列CRISPR介导的缺失和倒置的多能拓扑结构域。利用CRISPR基因编辑技术同时去除了这3个序列,研究发现这会使DNA复制从初始阶段跳入最后阶段,并且DNA分子的三维结构也发生了变化,表明这3个序列结合在一起是调控DNA复制的关键!研究人员将这3个DNA序列称为“早期复制控制元件(ERCEs)”,并称其为“一个让人吃惊的发现”。

图:ERCEs(包含3个序列a、b、c),D:a、b、c同时缺失的DNA复制时间变化;E:分别或两两删除a、b、c的DNA复制时间变化。突变等位基因为红色,野生型等位基因为黑色。

在试验中,研究人员还发现结构域边界与CTCF蛋白不是DNA复制所必需的,并且ERCEs不仅会调控DNA的复制时间,还会对局部染色质三维结构和转录产生影响。此外,ERCEs具有增强子的性质,并在全基因组的多个基因位点上得到了验证。

该最新研究由佛罗里达州立大学J. Herbert Taylor杰出分子生物学教授David Gilbert及其博士生Jiao Sima领导进行。值得注意的是,Gilbert的教授职位是为了纪念前佛罗里达州教授J. Herbert Taylor。Taylor教授在20世纪50年代后期致力于研究不同的DNA片段复制,并发表了100多篇关于染色体结构和DNA复制的论文。

研究人员表示,细胞在不同时间和位置进行DNA复制时,利用的成分会有所不同,当某些成分发生变化,就有可能组装一个完全不同的基因结构,改变遗传信息。该研究或能为研究DNA复制紊乱导致的复杂疾病带来新的启示。

更好地理解DNA复制的调控机制,可以为遗传学研究开辟新的途径。该研究成果或能反映一种可能的模型,即DNA如何在细胞内折叠以及这些折叠模式如何影响遗传物质的功能,为未来多种疾病如癌症、遗传病的分子机制研究提供理论基础,进而从根源解决疾病。

参考资料:

1.Identifying cis Elements for Spatiotemporal Control of Mammalian DNA Replication

2.Unravelling mystery of how, when DNA replicates

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本文由 测序中国 作者:戴胜 发表,转载请注明来源!

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