Nature | 发现DNA复制时间安排和基因在细胞核内折叠成三维结构之间的关系

复制遗传信息的复杂过程被称为 DNA 复制，它是生命从一个细胞传递到另一个细胞以及从一个有机体传递到下一个有机体的关键。这不仅仅是复制遗传信息，还必须在正确的时间发生一连串精心策划的分子事件。

在一项新的研究中，来自德国慕尼黑亥姆霍兹中心等研究机构的研究人员发现了DNA 复制过程的一个迷人方面，即“复制事件安排（replication timing, RT）”，以及生命开始时这一过程的特殊性。相关研究结果发表在2024年1月11日的Nature期刊上，论文标题为“Emergence of replication timing during early mammalian development”。

DNA复制事件安排过程指的是遗传密码不同区域复制的特定时刻。这些作者采用一种名为 “Repli-seq”的技术，深入研究了RT与细胞适应性（即细胞可塑性）之间的密切关系。有趣的是，他们还发现了RT与基因如何在细胞核内折叠成三维结构之间的新关系。

这些作者从胚胎的最早阶段合子（生物生命的开端）开始，绘制了从单细胞阶段（合子）到胚胎植入母体子宫阶段（称为囊胚）的RT图谱。意外的发现是，单细胞胚胎中的 RT 并不十分有序，这表明基因组复制在这些早期细胞中非常灵活。然而，在 4 细胞阶段之后，RT 变得更加明确。这是一个循序渐进的过程，反映了DNA和相关蛋白逐渐获得修饰的过程。

论文通讯作者、慕尼黑亥姆霍兹中心的Maria-Elena Torres-Padilla进一步解释说，“这非常了不起，因为这告诉我们，这些早期胚胎细胞具有非常‘可塑’的基因组复制程序。因为这些早期细胞具有全能性，它们可以产生我们体内的每一个细胞。我们认为，我们在这项研究中发现的东西，正是这些细胞能够如此出色地生成体内所有细胞的原因之一。”

这些关于DNA复制的新发现可以成为对细胞进行重编程的工具。论文第一作者Tsunetoshi Nakatani博士补充说，“我们可以设想通过将细胞的RT程序改变为一种更灵活的程序来改变细胞的身份。”

图片来自Nature, 2024, doi:10.1038/s41586-023-06872-1。

这些研究结果进一步表明RNA聚合酶（通常被称为负责读取遗传密码并将其转录为RNA的酶）有助于确定确切的RT程序，为将来如何操纵这种程序提供了一些线索。

这些作者发现，基因组的三维结构首先成形，RT程序随之建立。这是一个令人兴奋的发现，因为它假定人类基因组如何融入细胞核的三维空间会影响 RT 程序的灵活性。

总之，在DNA中，RT是生命宏大叙事中令人着迷的一个方面。它展示了DNA复制的精确性是如何与早期胚胎细胞在体内生成其他类型细胞的能力紧密联系在一起的。随着科学家们不断探索这些联系，人类将更深入地了解生命在细胞与细胞、生物与生物之间传递的本质，以及是什么让细胞能够产生一个新的机体。

参考资料：

Tsunetoshi Nakatani et al. Emergence of replication timing during early mammalian development. Nature, 2024, doi:10.1038/s41586-023-06872-1.

Team discovers relationship between DNA replication timing and how genes fold into 3D structures inside cell nucleus
https://phys.org/news/2023-12-team-relationship-dna-replication-genes.html