科学家为单细胞水平理解DNA复制奠定了基础

一个研究小组已经建立了一种新的方法来仔细检查单个细胞中的DNA复制。该方法使他们能够获得每个细胞中复制和未复制序列分布的详细全基因组视图。通过利用亲本之间的单核苷酸变异，他们还成功地区分了每个细胞中父系和母系衍生的同源染色体，从而有可能成功地观察细胞中每个染色体的复制方式。

在所有生物体中，增殖细胞经历DNA复制的基本过程。通过这个过程，他们忠实地复制他们的DNA并分成两个子细胞。在真核生物中，基因组DNA在细胞周期的S期复制，并且已知复制-DNA复制时间的顺序与染色质的高级结构强烈相关 - 染色质是DNA的结构。折叠。因此，研究DNA复制对于理解基因组的忠实维持以及其高阶结构非常重要。

为了揭示允许通过细胞分裂稳定维持基因组DNA和适当控制染色质构象的机制，必须准确了解单细胞水平的DNA复制过程。然而，对单细胞中基因组复制过程知之甚少，因为常规生化方法需要至少数万个细胞来全面研究DNA复制过程。DNA复制如何在个体细胞中进行仍然是分子生物学中长期存在的问题。

为解决这个问题，由日本生物系统动力学研究中心(BDR)的Ichiro Hiratani和三重大学的Shin-ichiro Takebayashi领导的研究小组与大阪大学合作，建立了一种新的方法来仔细检查单个细胞中的DNA复制。为了在单细胞水平上进行分析，他们从S期的单个细胞中分离基因组DNA-当DNA被复制时，细胞周期的阶段。他们进行了全基因组测序，检测了基因组每个区域之间拷贝数的差异。这种方法称为“scRepli-seq”(“单细胞DNA复制测序”)，使他们能够获得每个细胞中复制和未复制序列分布的详细全基因组视图。通过利用亲本之间的单核苷酸变异，每个细胞中的同源染色体，使得成功地可视化细胞中每个染色体的复制成为可能。

使用小鼠胚胎干(ES)细胞的分析导致发现DNA复制谱的变化远小于预期，并且基因组复制过程在细胞中高度保守。此外，尽管DNA复制谱在ES细胞分化时发生改变，但即使在分化后细胞间的变化也很小。同源染色体在细胞内显示相似的特征，并且在细胞之间也相似。换句话说，基于成千上万个细胞的平均图像的DNA复制调节的教科书视图与单个细胞中发现的非常接近。

接下来，研究人员研究了复合时间与单细胞水平的染色质高阶结构之间的相关性。最近的研究表明，在间期细胞核中，哺乳动物染色体被划分为兆碱基大小的自缔合单元，称为拓扑缔合结构域(TAD)，其可以在A(活性)或B(无活性)亚核区室中。研究小组发现，单细胞DNA复制特征很好地反映了A / B区组织。因为单细胞复制谱在细胞与细胞之间是稳定的，这表明A / B区室结构也可以在细胞与细胞之间保守。

虽然群体中单个细胞的DNA复制谱总体上相似，但研究小组发现一些基因组区域在细胞之间显示出相对较大的变异性。第一个明显的因素是在S期中花费的时间，S期中最早和最新的复制序列表现出最小的细胞间变异性。相反，在S期中间，变异程度变得更高且变化更大。其次，他们发现ES细胞中发育调节序列的相对较大的细胞 - 细胞复制时间变异性。也就是说，在发育后期经历复制时间变化的序列在未分化的ES 细胞中显示出更高的复制时间变异性。这表明一种有趣的可能性，即它们固有的复制时间不稳定性可能反映了它们的区室化不稳定性，可能会赋予发育调控的能力。

本研究以及最近的一份报告(Dileep和Gilbert，Nat Commun 2018)显着提高了我们对DNA复制调控的单细胞水平理解，并提供了如何调节染色质高级结构的见解。由于scRepli-seq方法简单且用途广泛，因此可应用于各种生物，并有可能为DNA复制和基因组调控的研究做出重大贡献。根据Hiratani和Takebayashi的说法，“几乎可以肯定，我们的方法将对DNA复制的基本生物学，基因组结构和不稳定性产生广泛影响，但它也可能成为人类健康和疾病状态的综合生物标志物，可能导致对癌症等各种人类疾病的新研究。“