Molecular Cell | 北京大学胡家志团队揭示转录对DNA复制的“双刃剑”效应

DNA复制和转录都发生在基因组上，两者时常在同一条DNA模板上“碰面”。过去的研究多聚焦于这种相遇引发的冲突与基因组损伤，但对于转录究竟如何影响复制叉的延伸过程，尤其是对两个方向相反的姐妹复制叉的协同推进，人们一直缺乏高分辨率的观测手段。

近日，北京大学胡家志团队在《Molecular Cell》期刊发表题为“Deciphering the dual effects of transcription on DNA replication elongation by replication-associated Micro-C”的研究论文。通讯作者胡家志带领团队开发了一项名为Repli-MiC的新技术，并结合强化学习计算框架Fun2，在核小体分辨率下系统描绘了DNA复制延伸的动态图谱，揭示了转录对复制延伸具有“同向促进、反向阻碍”的双重作用。

研究的第一步是解决技术瓶颈。传统的Repli-HiC方法依赖限制性内切酶，容易在开放染色质区域产生偏好，丢失很多信息。胡家志团队改用微球菌核酸酶（MNase）进行基因组消化，建立了Repli-MiC方法。这种方法读段分布更均匀，信噪比更高，在K562细胞中鉴定出4053个“染色质喷泉”结构——这些喷泉正是两个姐妹复制叉偶联前进时在三维基因组中留下的痕迹。相比之下，旧方法只能找到2350个。为了精准量化喷泉的形状，团队还开发了基于蒙特卡洛树搜索的Fun2算法，可以自动测量喷泉的长度、宽度、倾斜角度和信号强度，把过去只能靠肉眼观察的图形成了可比较的数据。

拿到这些工具后，团队开始追问：转录到底在复制延伸中扮演什么角色？他们将喷泉附近的转录方向分为两类：与复制叉同向（co-directional）和反向（head-on）。结果非常清晰：同向转录的基因附近，喷泉信号明显更强，而且转录水平越高，喷泉强度越大，说明同向转录帮助复制叉跑得更顺。反过来，如果转录方向与复制方向相反，喷泉信号不但没有增强，反而随着转录水平升高而减弱，甚至消失。更直观的证据来自一个基因反转实验。团队在K562细胞中将一个同向转录的基因CTNNAL1整个反转方向，结果原本清晰可见的喷泉结构几乎消失，喷泉角度也发生了显著变化。这意味着反转后的转录成了复制叉前进的“路障”。

进一步机制探索发现，DNA拓扑异构酶TOP1可能参与了同向转录对复制的促进——当用dTAG系统将TOP1降解后，同向转录带来的喷泉增强效应被明显削弱。综合所有发现，作者提出了一个“双刃剑”模型：同向转录通过TOP1等因子帮助姐妹复制叉协同延伸，维护基因组稳定；而反向转录则会破坏这种协同性，可能成为DNA断裂和不稳定的诱因。这项研究不仅提供了一套可推广的高分辨率复制观测工具，也让我们对细胞如何平衡两大生命过程有了新的理解。

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