2024年3月14日，北京大学胡家志团队在Science 在线发表题为“Fork coupling directs DNA replication elongation and termination”的研究论文，该研究建立了首个检测DNA复制叉附近染色质相互作用的方法，并发现在人类和小鼠细胞的DNA复制过程中，复制叉并非传统模型中认为的独立反方向前进，而是彼此之间能够以偶联的形式持续相互作用，协同完成整个复制延伸过程，并指导复制终止。
 

DNA复制是一个高度协调的过程，涉及特定DNA起点的起始和两个复制分叉相遇时的终止。在每个起点，一对复制体组装并产生姐妹复制叉，以双向方式进行。两个聚合叉之间的相互作用触发染色质上的复制体拆卸，导致复制终止。与大肠杆菌不同，大肠杆菌具有单一复制起点和特定的终止区域，真核细胞有成百上千个复制起始区(IZs)和终止区(TZs)。在酵母菌中已经有很好的复制起源记录，并且复制起始的过程也已经在体外进行了生化重组。同样，在哺乳动物细胞中，IZs和TZs也通过各种高通量测定法被鉴定出来。考虑到从细菌到哺乳动物基因组的大小和复杂性的增加，哺乳动物细胞中DNA复制的调控似乎更为复杂。

早期对真核细胞中复制叉的空间组织的研究依赖于各种显微镜技术。共聚焦显微镜研究显示存在多个球状焦点，即复制工厂，其中包含数十个复制叉。相比之下，超分辨率显微镜分析挑战了这一概念，并表明在人类HeLa和小鼠C2C12细胞中，每个复制焦点可能包含较少数量的复制体，可能只有两个。虽然对酵母和HeLa细胞的研究表明，姐妹分叉在DNA复制过程中非常接近，但其他研究表明，姐妹分叉在酵母和非洲爪蟾中可以独立运作，并且在非洲爪蟾卵提取物中没有观察到姐妹复制体的强制性偶联。因此，揭示真核细胞中多个复制体或复制叉之间的协调，需要开发具有更高分辨率的高通量测定方法。

Repli-HiC的实验过程（图源自Sciecne ）

该研究开发了DNA复制相关的原位HiC (Repli-HiC)试验来研究涉及复制叉的染色质相互作用。基于该方法，该研究不仅首次解析了DNA复制叉在复杂染色质环境下的空间组织模式，发现姐妹复制叉的稳定偶联结构，还提出了DNA复制终止的预决定模型，提示仍有重要未知机制触发复制终止。不仅如此，该研究还启示了一系列重要科学问题：复制叉偶联的结构基础和分子机制、偶联复制叉的生理功能、偶联复制叉与染色质其他代谢过程的协调关系等。总之，该研究为理解DNA复制、基因组稳定性和相关疾病的机理提供了全新视角和新的理论基础。

该工作由北京大学生命科学学院和北大-清华生命科学联合中心胡家志研究员、李晴教授、孔道春教授、高宁教授和季雄研究员组合作完成，胡家志研究员为该论文的通讯作者。生命科学学院博士后刘阳博士、2021级博士研究生张丁峥嵘及刘栩豪为该论文的共同第一作者。甘婷婷博士、艾晨博士、吴锦淳博士、梁昊昕、陈莫晗、郭岳峰、卢如森、蒋永鹏博士等在该工作中亦有重要贡献。该研究还得到了北京大学生命科学学院吴虹教授、中科院生物物理所朱冰研究员和浙江大学生命科学研究院阮一骏教授的帮助和指导。该工作得到了国家自然科学基金、科技部及农业部的支持。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj7606