Nature | 复制压力诱导的染色质环：维持复制叉稳定性的脚手架

撰文 | 觉主在路上

DNA 复制过程常受到各种内外源损伤引发的复制压力挑战，这种压力被广泛认为是导致基因组不稳定和癌症的主要驱动力【1,2】。为了应对这些压力，细胞进化出了精密的保护响应机制，例如通过激活检查点通路来稳定停滞的复制叉，防止此处极度脆弱的新生 DNA 链遭到核酸酶的降解【3】。既往研究表明，组蛋白甲基转移酶 G9a在受压复制叉处能促进H3K9 甲基化，驱动局部染色质压缩，并保护新生 DNA 免受易出错聚合酶的影响，从而促进复制叉重启【4】。 然而， 仍有 一个悬而未决的科学问题是：这种观察到的局部染色质压缩变化，是否会进一步扩展并参与构建更高层级的基因组三维组织结构，以及这种高级结构如何在空间上协同保护停滞的复制叉免受降解 。

近日， 来自荷兰伊拉斯姆斯大学医学中心 （ Erasmus University Medical Center ）的 Nitika Taneja 研究 团队 在Nature上发表了 文章 Replication-stress-induced chromatin loops protect fork stability 。这项研究通过Rep-ChIC和Rep-Hi-C等，深入揭示了细胞在面对复制压力时，通过三维基因组重组维持稳定性的精密机制：当受压的复制叉在会聚的CTCF基序处停滞时，会触发受ATR激酶调控的保护性响应，促使CTCF蛋白在这些位点富集作为锚点并限制“环挤压”过程，同时协同组蛋白甲基转移酶G9a在环内部的新生DNA上沉积异染色质（H3K9me3），从而在全基因组上构建并稳定瞬时染色质环（ chromatin loops ）。这些结构在三维基因组图谱中表现为增强的姐妹复制叉相互作用（即“喷泉”结构），充当物理上的保护性建筑脚手架，将停滞或反转的复制叉紧密包裹，有效地屏蔽了MRE11和DNA2等多种核酸酶的降解攻击；值得注意的是，这种保护机制独立于复制叉反转过程。总而言之，该发现确立了三维空间架构是维持复制叉稳定性和防止诱变的基础性逻辑，为理解癌症基因组不稳定性提供了全新的分子视角。

• 染色质环的发现过程

研究者前期发现羟基脲（HU）诱导的复制叉停滞会触发新生DNA上瞬时的、依赖于组蛋白甲基转移酶G9a的从头H3K9me3异染色质沉积，但这种响应在全基因组范围内的精布尚不明确 ，因此 首先 需要 描绘受压复制叉异染色质图谱 。 团队开发了Rep-ChIC技术：通过BrdU脉冲标记新生DNA，随后利用染色质免疫切割结合BrdU免疫共沉淀提取测序 。 研究 发现 异染色质标志H3K9me3在受压的新生DNA复制位点普遍沉积，新形成的异染色质峰广泛分布于全基因组的所有染色体上，且具有高度的可重复性。更重要的是，这种异染色质化响应是复制依赖性的，但与复制时间的早晚（早期或晚期复制区）无关 。

随后，鉴于停滞复制叉处形成了瞬时异染色质，研究者假设这种局部的染色质压缩可能会进一步驱动更高级别的基因组三维结构重组 。 团队采用了高内涵成像技术进行邻近连接检测，观察H3K9me3与新生DNA的空间关联。为了捕捉新生DNA特异性的三维相互作用， 团队 开发了Rep-Hi-C技术：在HU处理前通过BrdU脉冲标记，随后结合Streptavidin拉取和BrdU免疫沉淀来富集新生链特异性的Hi-C文库。研究发现压力下的复制位点表现出PLA信号强度和尺寸的增加，表明复制工厂发生了空间聚集。Rep-Hi-C揭示了独特的“喷泉（fountains）”状结构，这代表了复制泡内姐妹复制叉之间的相互作用。实验证明，在复制压力下这些空间相互作用显著增强，使喷泉条带变厚，并导致基因组向异染色质化状态转变。 Rep-Hi-C观察到的“喷泉”边缘出现了接触强度增强的团块状信号，这提示压力诱导的相互作用可能形成了具体的拓扑特征——染色质环 ，最后， 研究者利用HICCUPS算法在全基因组范围内锁定了超过7000个复制压力特异性的瞬时染色质环，这些环倾向于将受压的复制子包裹其中；并通过三维DNA荧光原位杂交直观地观察到受压细胞中环锚点探针间的物理距离显著缩短，从而在物理空间上确证了这种为保护停滞复制叉而构建的三维 稳定支架。

• 染色质环的分子机制和生物学功能

研究者通过基序分析发现HU特异性环的锚点高度富集了会聚的CTCF基序（约83.33%），并结合CTCF-AID2系统的急性蛋白质耗竭实验与Rep-Hi-C分析，证实了CTCF对于维持压力诱导环强度及其限制“环挤压”过程的不可或缺性。 通过多种研究方法 确立了ATR-CTCF-G9a轴共同驱动环稳定的分子逻辑：CTCF作为物理边界锁定环锚点，而G9a在环主体沉积异染色质进行加固。随后，为了验证这种高级架构的功能性保护作用，研究人员利用单分子DNA纤维分析量化了IdU/EdU轨迹比值，观察到缺失CTCF或G9a会导致复制叉显著降解，并为此创新性地开发了复制叉降解测序（Fork-deg-seq） ： 在固定细胞后进行原位缺口填充，利用生物素标记被核酸酶降解的新生DNA，随后进行高分辨率测序分析 。研究显示 被环包裹的复制区域得到了有效保护，免受降解；而处于环之外或环贫瘠区的新生DNA则表现出极高的降解敏感性 。 最后，通过小分子抑制剂针对性抑制MRE11和DNA2这两类主要的核酸酶，并观察环结构崩溃后的补救效应 。 在HU诱导下，复制叉反转的频率约20%，说明环结构不影响反转的发生，而是影响反转后的稳定性。然而，一旦环结构崩溃（CTCF耗竭或G9a抑制），原本受保护的双链DNA反转叉会出现大规模的单链DNA缺口和降解，且这种效应独立于经典的BRCA保护路径。研究最终确立了一个模型：CTCF通过保护锚点处的反转叉结构，结合G9a介导的异染色质涂布整个环主体，构建了一个物理意义上的保护性建筑脚手架，有效地屏蔽了MRE11和DNA2等核酸酶对新生DNA链的攻击。

总的来说， 传统观点认为，细胞应对复制压力的保护机制主要集中在局部蛋白质复合物的招募。然而，本研究发现这种保护作用上升到了高级基因组结构层面。当DNA复制叉因压力而停滞时，细胞不仅会进行局部的染色质压缩，还会在CTCF 基序和组蛋白甲基转移酶 G9a的协同作用下，诱导形成瞬时染色质环将停滞的复制泡物理性地“打包”起来，维持基因组的稳定性。

编后记：

针对文中提供的模型主要强调了复制压力下G9a介导的H3K9me3沉积然后进一步在CTCF的作用下形成所谓的保护性三维结构。CTCF结合通常是依赖于识别基序的，文章缺乏CTCF的ChIP-Seq的数据，难以判定在复制压力前后，CTCF结合位点上是否存在变化，这里要解决的问题是CTCF是否有物理位置上的移动，而文章重点强调的是有无CTCF的条件下染色质高级结构是否行形成。

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10695-1

制版人： 十一

参考文献

[1] da Costa, A., Chowdhury, D., Shapiro, G. I., D’Andrea, A. D. & Konstantinopoulos, P. A. Targeting replication stress in cancer therapy.Nat. Rev. Drug Discov.22, 38–58 (2023).

[2] Cybulla, E. & Vindigni, A. Leveraging the replication stress response to optimize cancer therapy. Nat. Rev. Cancer 23, 6–24 (2023).

[3] Berti, M., Cortez, D. & Lopes, M. The plasticity of DNA replication forks in response to clinically relevant genotoxic stress.Nat. Rev. Mol. Cell Biol.21, 633–651 (2020).

[4] Gaggioli, V. et al. Dynamic de novo heterochromatin assembly and disassembly at replication forks ensures fork stability.Nat. Cell Biol.25, 1017–1032 (2023).

学术合作组织

（*排名不分先后）

战略合作伙伴

（*排名不分先后）

推荐直播

转载须知

【原创文章】BioArt原创文章，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，所刊登的所有作品的著作权均为BioArt所拥有。BioArt保留所有法定权利，违者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

点击主页推荐活动

关注更多最新活动！