近日，日本RIKEN生物系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究所的Ichiro Hiratani研究團(tuán)隊(duì)與Tomoya S. KIT(http://www.weberwork.com/sell/l_25/)ajima研究團(tuán)隊(duì)合作，在《自然》（Nature）雜志上發(fā)表了一篇題為“Embryonic genome instability upon DNA replication timing program emergence”的研究論文。該研究利用單細(xì)胞全基因組DNA復(fù)制圖譜構(gòu)建技術(shù)（scRepli-seq），揭示了小鼠早期胚胎DNA復(fù)制調(diào)控機(jī)制與基因組穩(wěn)定性之間的關(guān)系。

 

研究人員首先構(gòu)建了小鼠早期胚胎的單細(xì)胞全基因組DNA復(fù)制圖譜，并觀察到一個(gè)與基因組不穩(wěn)定相關(guān)的復(fù)制程序突然轉(zhuǎn)換期。在1細(xì)胞和2細(xì)胞胚胎階段，整個(gè)基因組的復(fù)制是均勻的，復(fù)制叉速度極慢。然而，到了4細(xì)胞胚胎階段，與體細(xì)胞相似的復(fù)制時(shí)間程序突然啟動(dòng)，但復(fù)制叉速度仍然緩慢，導(dǎo)致S期延長(zhǎng)，并伴有復(fù)制壓力增加、DNA損傷和修復(fù)標(biāo)記物上升。這些因素導(dǎo)致在4到8細(xì)胞分裂期間出現(xiàn)斷裂型染色體分離錯(cuò)誤，且斷裂點(diǎn)主要位于晚期復(fù)制區(qū)域。通過(guò)補(bǔ)充核苷酸，可以加速?gòu)?fù)制叉速度并減少?gòu)?fù)制壓力，從而減少染色體分離錯(cuò)誤。

 

進(jìn)一步分析顯示，1細(xì)胞、2細(xì)胞和4細(xì)胞胚胎中的DNA纖維復(fù)制速度低于33 bp/min，而8細(xì)胞胚胎中的復(fù)制叉速度則顯著加快。這表明在4細(xì)胞階段，復(fù)制時(shí)間程序的建立與復(fù)制叉速度之間存在不協(xié)調(diào)現(xiàn)象。通過(guò)scRepli-seq數(shù)據(jù)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)在4到8細(xì)胞分裂期間，染色體異常的發(fā)生率增加，尤其是在晚期復(fù)制區(qū)域。復(fù)制壓力和DNA損傷標(biāo)記物也在4細(xì)胞晚期S期顯著上升，表明4細(xì)胞階段的復(fù)制壓力可能是導(dǎo)致染色體分離錯(cuò)誤的原因之一。

 

為了驗(yàn)證復(fù)制壓力與染色體分離錯(cuò)誤之間的因果關(guān)系，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了核苷酸補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，補(bǔ)充核苷酸可以顯著減少4到8細(xì)胞分裂期間的染色體分離錯(cuò)誤，這進(jìn)一步證實(shí)了復(fù)制壓力與染色體分離錯(cuò)誤之間的聯(lián)系。

 

綜上所述，這項(xiàng)研究揭示了小鼠早期胚胎DNA復(fù)制調(diào)控的獨(dú)特性及其與基因組穩(wěn)定性之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，在正常小鼠發(fā)育過(guò)程中存在一個(gè)短暫的基因組不穩(wěn)定期，該時(shí)期的特點(diǎn)是缺乏復(fù)制體水平調(diào)控與大規(guī)模復(fù)制時(shí)間程序調(diào)控之間的協(xié)調(diào)。這表明，復(fù)制體水平調(diào)控與復(fù)制時(shí)間程序調(diào)控之間的協(xié)調(diào)對(duì)于維持基因組穩(wěn)定性至關(guān)重要。

 

這項(xiàng)成果不僅為理解胚胎發(fā)育過(guò)程中基因組穩(wěn)定性提供了新視角，也為體外受精臨床應(yīng)用中降低早期胚胎染色體畸變率提供了潛在的策略。