一個(gè)研究小組已經(jīng)建立了一種新的方法來仔細(xì)檢查單個(gè)細(xì)胞中的DNA復(fù)制。該方法使他們能夠獲得每個(gè)細(xì)胞中復(fù)制和未復(fù)制序列分布的詳細(xì)全基因組視圖。通過利用親本之間的單核苷酸變異，他們還成功地區(qū)分了每個(gè)細(xì)胞中父系和母系衍生的同源染色體，從而有可能成功地觀察細(xì)胞中每個(gè)染色體的復(fù)制方式。

在所有生物體中，增殖細(xì)胞經(jīng)歷DNA復(fù)制的基本過程。通過這個(gè)過程，他們忠實(shí)地復(fù)制他們的DNA并分成兩個(gè)子細(xì)胞。在真核生物中，基因組DNA在細(xì)胞周期的S期復(fù)制，并且已知復(fù)制-DNA復(fù)制時(shí)間的順序與染色質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈相關(guān) - 染色質(zhì)是DNA的結(jié)構(gòu)。折疊。因此，研究DNA復(fù)制對(duì)于理解基因組的忠實(shí)維持以及其高階結(jié)構(gòu)非常重要。

為了揭示允許通過細(xì)胞分裂穩(wěn)定維持基因組DNA和適當(dāng)控制染色質(zhì)構(gòu)象的機(jī)制，必須準(zhǔn)確了解單細(xì)胞水平的DNA復(fù)制過程。然而，對(duì)單細(xì)胞中基因組復(fù)制過程知之甚少，因?yàn)槌Ｒ?guī)生化方法需要至少數(shù)萬個(gè)細(xì)胞來全面研究DNA復(fù)制過程。DNA復(fù)制如何在個(gè)體細(xì)胞中進(jìn)行仍然是分子生物學(xué)中長(zhǎng)期存在的問題。

為解決這個(gè)問題，由日本生物系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究中心(BDR)的Ichiro Hiratani和三重大學(xué)的Shin-ichiro Takebayashi領(lǐng)導(dǎo)的研究小組與大阪大學(xué)合作，建立了一種新的方法來仔細(xì)檢查單個(gè)細(xì)胞中的DNA復(fù)制。為了在單細(xì)胞水平上進(jìn)行分析，他們從S期的單個(gè)細(xì)胞中分離基因組DNA-當(dāng)DNA被復(fù)制時(shí)，細(xì)胞周期的階段。他們進(jìn)行了全基因組測(cè)序，檢測(cè)了基因組每個(gè)區(qū)域之間拷貝數(shù)的差異。這種方法稱為“scRepli-seq”(“單細(xì)胞DNA復(fù)制測(cè)序”)，使他們能夠獲得每個(gè)細(xì)胞中復(fù)制和未復(fù)制序列分布的詳細(xì)全基因組視圖。通過利用親本之間的單核苷酸變異，每個(gè)細(xì)胞中的同源染色體，使得成功地可視化細(xì)胞中每個(gè)染色體的復(fù)制成為可能。

使用小鼠胚胎干(ES)細(xì)胞的分析導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)DNA復(fù)制譜的變化遠(yuǎn)小于預(yù)期，并且基因組復(fù)制過程在細(xì)胞中高度保守。此外，盡管DNA復(fù)制譜在ES細(xì)胞分化時(shí)發(fā)生改變，但即使在分化后細(xì)胞間的變化也很小。同源染色體在細(xì)胞內(nèi)顯示相似的特征，并且在細(xì)胞之間也相似。換句話說，基于成千上萬個(gè)細(xì)胞的平均圖像的DNA復(fù)制調(diào)節(jié)的教科書視圖與單個(gè)細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的非常接近。

接下來，研究人員研究了復(fù)合時(shí)間與單細(xì)胞水平的染色質(zhì)高階結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)性。最近的研究表明，在間期細(xì)胞核中，哺乳動(dòng)物染色體被劃分為兆堿基大小的自締合單元，稱為拓?fù)渚喓辖Y(jié)構(gòu)域(TAD)，其可以在A(活性)或B(無活性)亞核區(qū)室中。研究小組發(fā)現(xiàn)，單細(xì)胞DNA復(fù)制特征很好地反映了A / B區(qū)組織。因?yàn)閱渭?xì)胞復(fù)制譜在細(xì)胞與細(xì)胞之間是穩(wěn)定的，這表明A / B區(qū)室結(jié)構(gòu)也可以在細(xì)胞與細(xì)胞之間保守。

雖然群體中單個(gè)細(xì)胞的DNA復(fù)制譜總體上相似，但研究小組發(fā)現(xiàn)一些基因組區(qū)域在細(xì)胞之間顯示出相對(duì)較大的變異性。第一個(gè)明顯的因素是在S期中花費(fèi)的時(shí)間，S期中最早和最新的復(fù)制序列表現(xiàn)出最小的細(xì)胞間變異性。相反，在S期中間，變異程度變得更高且變化更大。其次，他們發(fā)現(xiàn)ES細(xì)胞中發(fā)育調(diào)節(jié)序列的相對(duì)較大的細(xì)胞 - 細(xì)胞復(fù)制時(shí)間變異性。也就是說，在發(fā)育后期經(jīng)歷復(fù)制時(shí)間變化的序列在未分化的ES 細(xì)胞中顯示出更高的復(fù)制時(shí)間變異性。這表明一種有趣的可能性，即它們固有的復(fù)制時(shí)間不穩(wěn)定性可能反映了它們的區(qū)室化不穩(wěn)定性，可能會(huì)賦予發(fā)育調(diào)控的能力。

本研究以及最近的一份報(bào)告(Dileep和Gilbert，Nat Commun 2018)顯著提高了我們對(duì)DNA復(fù)制調(diào)控的單細(xì)胞水平理解，并提供了如何調(diào)節(jié)染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的見解。由于scRepli-seq方法簡(jiǎn)單且用途廣泛，因此可應(yīng)用于各種生物，并有可能為DNA復(fù)制和基因組調(diào)控的研究做出重大貢獻(xiàn)。根據(jù)Hiratani和Takebayashi的說法，“幾乎可以肯定，我們的方法將對(duì)DNA復(fù)制的基本生物學(xué)，基因組結(jié)構(gòu)和不穩(wěn)定性產(chǎn)生廣泛影響，但它也可能成為人類健康和疾病狀態(tài)的綜合生物標(biāo)志物，可能導(dǎo)致對(duì)癌癥等各種人類疾病的新研究。“