染色质结构形成及DNA复制叉稳定性维持的分子机制

　　100年前，研究人员发现染色体上有非常紧密的区域，并提出了异染色质结构这个概念（Montgomery TH. （1901）, A study of chromosomes of the germ cells of metazoan. Trans Am Phil Soc. 20: 154-136； Heitz E. （1928）. Das heterochromatin der Moose. I. Jahrb Wiss Bot. 69: 762-818）。100年后，研究人员进一步发现在多细胞生物染色体上，25%—90%的染色体区域具有异染色质结构 （Lander et al. （2001）. Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature, 409: 860-921；Vicient & Casacuberta (2017). Impact of transoposable elements on polyploidy plant genome. Ann. Bot. 120:195-207）；并证明这些异染色质结构与基因组稳定、基因表达水平调控、细胞生长与分裂、细胞分化等直接相关（Allshire & Madhani（2018）. Ten principles of heterochromatin formation and function. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 19: 229-244）。但是，经过100年的研究，产生组成性异染色质结构的根本机制还没有被确定。

　　DNA复制是核心生物事件，其发生在染色体上。当DNA复制叉沿着染色体DNA移动并复制、合成DNA时，它会碰到许多内源的DNA复制叉停顿点。这些停顿点的大部分应该是由DNA二级结构导致的。各种DNA重复序列往往能形成多类型的DNA二级结构。人细胞染色体DNA大约有30∽50万个复制叉停顿点。已证明停顿的DNA复制叉是不稳定的，需要严格的细胞调控，以维持其稳定、防止它垮塌，保持基因组完整性。也已证明Checkpoint（细胞周期检验点）是维持停顿复制叉稳定、防止其垮塌的一个必须细胞调控。如果停顿的DNA复制叉垮塌，将产生各种基因变异。大数据统计表明~66%的癌症是DNA复制错误产生的（Tomasetti et al. （2017）, Stem cell divisions, somatic mutations, cancer etiology, and cancer prevention.Science, 355: 1220-1334）。DNA复制叉垮塌被认为是DNA复制错误的主要源泉。然而，在过去二三十年，该研究领域的进展不大，细胞调控维持停顿复制叉稳定的分子机制所知甚少。

　　最近，孔道春实验室研究发现，当DNA复制叉停顿后，停顿DNA复制叉周围的染色质结构变得更加紧密。研究团队证明组蛋白去乙酰化、H3K9三甲基化等是复制叉停顿诱导的染色质结构变得更加紧密的一个重要方面。进一步研究发现，如果DNA复制叉停顿诱发的紧密染色质结构被破坏，DNA复制解旋酶将离开DNA复制叉，导致复制叉垮塌。研究还发现该调控不受Checkpoint调控影响。因此，本工作发现了一种跟DNA复制检验点（checkpoint）平行的全新细胞调控机制——通过调控核小体，改变组蛋白修饰，在停顿的复制叉周围形成更紧密的染色体结构，从而防止复制叉垮塌、基因突变、细胞死亡或癌变。这一调控机制被命名为“TheChromsfork Control”：Chromatin Compaction Stabilizes Stalling Replication Forks（见下图）。将来的工作将阐明该细胞调控/研究领域的详细分子机制 （包括确定sensors，mediators, 及effectors）。

　　检查已知的异染色质区，几乎都存在DNA复制叉停顿/障碍点。 孔道春实验室研究也证明这些天然复制叉停顿点 （ntative replication barrier sites）能激活The Chromsfork Control, 导致该区域染色质更紧密，变成异染色质区域（未发表工作）。因此，基于这些发现，他们认为复制叉停顿诱发的染色质紧密结构应该是异染色质形成的最根本机制或根本机制之一。一旦异染色质结构的形成被启动，辅助一些其它生化机制，最终将在某一个特定染色体区域形成异染色质结构。

　　The Chromsfork Control的发现，将推动对于异染色质结构形成机制的理解，也将极大推动对于细胞如何维持DNA复制叉稳定、保持基因组完整的分子机制理解。

The Chromsfork Control调控模式图

　　2019年7月1日，该科学发现以长文形式在线发表在国际著名期刊PNAS上。论文题目是“Replication fork stalling elicits chromatin compaction for the stability of stalling replication forks”。北京大学孔道春教授为本文的通讯作者，北京大学博士后冯刚（现在福建医科大学独立研究基因组稳定性机制）和博士生袁越为本文的并列第一作者，北京大学博士生李泽阳、王露、张波、罗杰琛和北京大学纪建国教授对本文有重要贡献。该研究得到北大-清华生命科学联合中心、国家重大科学研究计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室，以及北京大学生命科学学院的支持。