PNAS & NAR | 科學(xué)家完成DNA復(fù)制偶聯(lián)親代組蛋白回收的最后一塊拼圖
2024年5月8日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院的甘海云研究員課題組,美國明尼蘇達(dá)大學(xué)Hormel研究所的于傳賀教授和四川大學(xué)華西醫(yī)院生物治療全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、疾病分子網(wǎng)絡(luò)前沿科學(xué)中心的韓俊宏教授課題組在PNAS(Proceedings?of the National Academy of?Sciences)發(fā)表了題為“DNA聚合酶δ調(diào)控親代組蛋白傳遞到DNA復(fù)制的滯后鏈上(DNA?polymerase delta governs??parental histone transfer to DNA replication?lagging??strand)”的文章,該研究發(fā)現(xiàn)聚合酶δ(Pol?δ)在DNA復(fù)制期間作為關(guān)鍵伴侶蛋白,將親代組蛋白傳遞到滯后鏈上,確保攜帶親代組蛋白翻譯后修飾的表觀遺傳信息能夠忠實(shí)地傳遞給子代細(xì)胞。這一發(fā)現(xiàn)揭示了Pol?δ在復(fù)制DNA滯后鏈時(shí)促進(jìn)親代組蛋白遺傳的精細(xì)過程。Pol?δ被認(rèn)為參與DNA損傷修復(fù)過程,但其功能未知,這提示組蛋白回收可能參與DNA損傷修復(fù)過程。

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文章鏈接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2400610121
在前不久的3月8日,同樣由甘海云研究員課題組及美國明尼蘇達(dá)大學(xué)Hormel研究所的于傳賀教授在NAR(Nucleic?Acids??Research)發(fā)表題為“親代組蛋白傳遞缺陷通過增加游離組蛋白的濃度來降低同源重組的頻率(Defective??transfer??of??parental histone decreases frequency of homologous??recombination??by??increasing free histone pools??in??budding??yeast)”的文章,該研究明確了親代組蛋白H3-H4四聚體傳遞遭到破壞時(shí)產(chǎn)生的遺傳和表觀遺傳結(jié)果。這一發(fā)現(xiàn)揭示了DNA復(fù)制過程中親代組蛋白正確傳遞不僅對(duì)維持染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性至關(guān)重要,而且任何由于親代組蛋白傳遞缺陷導(dǎo)致的同源重組活性降低都可能對(duì)細(xì)胞健康產(chǎn)生不利影響。

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文章鏈接:https://doi.org/10.1093/nar/gkae205
DNA復(fù)制和組蛋白傳遞是生物體內(nèi)兩個(gè)緊密相連的過程,它們共同確保了遺傳信息的準(zhǔn)確傳遞和生物體的正常運(yùn)作。在DNA復(fù)制過程中,復(fù)制叉前的親代核小體結(jié)構(gòu)需要被解組裝,同時(shí),親代核小體上的組蛋白會(huì)被傳遞到復(fù)制叉后面新生成的子鏈DNA,包括前導(dǎo)鏈(leading??strand)和滯后鏈(lagging??strand)上重新組裝形成核小體,實(shí)現(xiàn)表觀遺傳信息的傳遞和繼承。近年來,甘海云研究員與合作者通過開發(fā)能特異性檢測DNA復(fù)制過程中前導(dǎo)鏈和滯后鏈結(jié)合蛋白的技術(shù)?(enrichment??and??sequencing??of protein-associated??nascent??DNA,eSPAN),發(fā)現(xiàn)DNA聚合酶Pol??ε在合成DNA的同時(shí),其亞基Pole3和Pole4還負(fù)責(zé)將親組蛋白傳遞到前導(dǎo)鏈(Science,2018)。Mcm2(Mcm2-7解旋酶的一個(gè)亞基)通過Pola將親組蛋白傳遞到復(fù)制DNA的滯后鏈(Molecular?Cell,?2018)。但MCM2本身位于Leading鏈上,Polα只能合成RNA引物和大約30nt的DNA序列,表明僅憑目前已知的通路無法完成Lagging上的組蛋白回收,這一直成為科研工作者們探索的謎題。
甘海云研究員課題組及其合作者經(jīng)過大量的篩選和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,最后發(fā)現(xiàn)滯后鏈DNA聚合酶δ的非必需亞基Pol32的缺失,會(huì)導(dǎo)致復(fù)制過程中親代組蛋白H3-H4主要傳遞到前導(dǎo)鏈。進(jìn)一步的生化分析表明,Pol32在體內(nèi)和體外都能與組蛋白H3-H4結(jié)合(圖2)。

圖2. Pol32 介導(dǎo)親組蛋白H3-H4傳遞到滯后鏈
研究者還通過將Mcm2內(nèi)組蛋白H3-H4結(jié)合域突變,發(fā)現(xiàn)Pol32與親代組蛋白H3-H4的相互作用遭到破壞,這進(jìn)一步證實(shí)了Mcm2和Pol32兩者之間存在的緊密聯(lián)系。綜合這些發(fā)現(xiàn),DNA聚合酶δ亞基Pol32被鑒定為Mcm2下游的關(guān)鍵組蛋白伴侶,它能夠介導(dǎo)DNA復(fù)制過程中親代組蛋白向滯后鏈的傳遞(圖3)。這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了親代組蛋白傳遞機(jī)制的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),還為未來關(guān)于遺傳信息和表觀遺傳信息傳承的研究提供了新的方向。

圖3. Mcm2,H3-H4以及Pol32在復(fù)制叉處的互作
中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的助理研究員田聰聰、助理研究員周嘉琦、研究助理張紫微和四川大學(xué)的博士生張琴、美國明尼蘇達(dá)大學(xué)的博士后賈靜為論文的共同第一作者。該研究獲得國家合成生物學(xué)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目,中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng),國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、青年項(xiàng)目、廣東省自然科學(xué)杰出青年基金、深圳合成生物學(xué)研究創(chuàng)新研究院科研計(jì)劃和深圳市醫(yī)學(xué)研究基金等多個(gè)項(xiàng)目的支持。
專家點(diǎn)評(píng):深圳大學(xué)朱衛(wèi)國教授
近年來研究發(fā)現(xiàn)親代組蛋白的遺傳對(duì)子細(xì)胞的表觀重建、分化特征維持、乃至個(gè)體發(fā)育都至關(guān)重要。DNA復(fù)制偶聯(lián)的親代組蛋白傳遞保證了表觀基因組的穩(wěn)定遺傳,甘海云和合作者此前發(fā)現(xiàn)解旋酶亞基MCM2和DNA聚合酶polα負(fù)責(zé)親代組蛋白向滯后鏈的傳遞。然而,MCM2本身位于前導(dǎo)鏈上,polα作為引物酶只能合成滯后鏈復(fù)制所需的RNA引物和大約30nt的DNA序列,很顯然無法完成整個(gè)滯后鏈的親代組蛋白回收。這個(gè)問題也一直成為謎題。這項(xiàng)研究甘海云領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在酵母細(xì)胞中DNA聚合酶polδ的非必需亞基pol32可以作為組蛋白伴侶將親代組蛋白至滯后鏈,該研究完成了DNA復(fù)制偶聯(lián)的組蛋白回收通路的最后一塊拼圖,完善了DNA復(fù)制偶聯(lián)組蛋白回收的理論,把DNA復(fù)制和染色質(zhì)復(fù)制終于統(tǒng)一到了一起。另外,有證據(jù)表明polδ可能參與DNA損傷修復(fù)過程,甘海云和合作者最近的NAR文章也發(fā)現(xiàn)親代組蛋白傳遞缺陷會(huì)影響同源重組頻率。這些研究不僅填補(bǔ)了先前對(duì)組蛋白回收機(jī)制的認(rèn)識(shí)空白,還為研究DNA損傷修復(fù)過程中的染色質(zhì)修復(fù)提供了新的視角。
PI及課題組簡介
甘海云博士,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所研究員,博士生導(dǎo)師。近五年來研究成果發(fā)表在Science、Nature??Medicine、Nature??Genetics、Molecular??Cell、Nature Communications、Genes??&??Development、PNAS、eLife、The??EMBO Journal、Nucleic Acids??Research等知名期刊,累計(jì)引用超過3400次。
課題組主要研究方向?yàn)槔孟到y(tǒng)生物學(xué)、合成生物學(xué)以“干濕”實(shí)驗(yàn)結(jié)合的模式研究表觀基因組信息的傳遞機(jī)制以及其在腫瘤發(fā)生和耐藥性產(chǎn)生、全能性細(xì)胞(2C)、細(xì)胞衰老、染色體外DNA(ecDNA)、合成表觀重構(gòu)、DNA復(fù)制起始分子復(fù)合物、人工細(xì)胞等的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制。
課題組現(xiàn)招聘有表觀基因組學(xué)、合成生物學(xué)、生物信息學(xué)、腫瘤生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)等任一相關(guān)研究背景博士后1-2名,研究助理2-3名,歡迎志同道合的朋友投送簡歷至hy.gan@siat.ac.cn,簡歷及郵件標(biāo)題注明“應(yīng)聘崗位-學(xué)校名稱-專業(yè)-姓名”。
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