2024年5月8日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所、深圳合成生物學(xué)創(chuàng )新研究院的甘海云研究員課題組，美國明尼蘇達大學(xué)Hormel研究所的于傳賀教授和四川大學(xué)華西醫院生物治療全國重點(diǎn)實(shí)驗室、疾病分子網(wǎng)絡(luò )前沿科學(xué)中心的韓俊宏教授課題組在PNAS（Proceedings of the National Academy of Sciences）發(fā)表了題為“DNA聚合酶δ調控親代組蛋白傳遞到DNA復制的滯后鏈上（DNA polymerase delta governs parental histone transfer to DNA replication lagging strand）”的文章，該研究發(fā)現聚合酶δ（Pol δ）在DNA復制期間作為關(guān)鍵伴侶蛋白，將親代組蛋白傳遞到滯后鏈上，確保攜帶親代組蛋白翻譯后修飾的表觀(guān)遺傳信息能夠忠實(shí)地傳遞給子代細胞。這一發(fā)現揭示了Pol δ在復制DNA滯后鏈時(shí)促進(jìn)親代組蛋白遺傳的精細過(guò)程。Pol δ被認為參與DNA損傷修復過(guò)程，但其功能未知，這提示組蛋白回收可能參與DNA損傷修復過(guò)程。
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文章鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2400610121
在前不久的3月8日，同樣由甘海云研究員課題組及美國明尼蘇達大學(xué)Hormel研究所的于傳賀教授在NAR（Nucleic Acids Research）發(fā)表題為“親代組蛋白傳遞缺陷通過(guò)增加游離組蛋白的濃度來(lái)降低同源重組的頻率（Defective transfer of parental histone decreases frequency of homologous recombination by increasing free histone pools in budding yeast）”的文章，該研究明確了親代組蛋白H3-H4四聚體傳遞遭到破壞時(shí)產(chǎn)生的遺傳和表觀(guān)遺傳結果。這一發(fā)現揭示了DNA復制過(guò)程中親代組蛋白正確傳遞不僅對維持染色質(zhì)結構的穩定性至關(guān)重要，而且任何由于親代組蛋白傳遞缺陷導致的同源重組活性降低都可能對細胞健康產(chǎn)生不利影響。
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文章鏈接：https://doi.org/10.1093/nar/gkae205
DNA復制和組蛋白傳遞是生物體內兩個(gè)緊密相連的過(guò)程，它們共同確保了遺傳信息的準確傳遞和生物體的正常運作。在DNA復制過(guò)程中，復制叉前的親代核小體結構需要被解組裝，同時(shí)，親代核小體上的組蛋白會(huì )被傳遞到復制叉后面新生成的子鏈DNA，包括前導鏈（leading strand）和滯后鏈（lagging strand）上重新組裝形成核小體，實(shí)現表觀(guān)遺傳信息的傳遞和繼承。近年來(lái)，甘海云研究員與合作者通過(guò)開(kāi)發(fā)能特異性檢測DNA復制過(guò)程中前導鏈和滯后鏈結合蛋白的技術(shù) (enrichment and sequencing of protein-associated nascent DNA，eSPAN），發(fā)現DNA聚合酶Pol ε在合成DNA的同時(shí)，其亞基Pole3和Pole4還負責將親組蛋白傳遞到前導鏈（Science, 2018）。Mcm2（Mcm2-7解旋酶的一個(gè)亞基）通過(guò)Pola將親組蛋白傳遞到復制DNA的滯后鏈（Molecular Cell, 2018）。但MCM2本身位于Leading鏈上，Polα只能合成RNA引物和大約30nt的DNA序列，表明僅憑目前已知的通路無(wú)法完成Lagging上的組蛋白回收，這一直成為科研工作者們探索的謎題。
甘海云研究員課題組及其合作者經(jīng)過(guò)大量的篩選和實(shí)驗驗證，最后發(fā)現滯后鏈DNA聚合酶δ的非必需亞基Pol32的缺失，會(huì )導致復制過(guò)程中親代組蛋白H3-H4主要傳遞到前導鏈。進(jìn)一步的生化分析表明，Pol32在體內和體外都能與組蛋白H3-H4結合（圖2）。
圖2. Pol32 介導親組蛋白H3-H4傳遞到滯后鏈
研究者還通過(guò)將Mcm2內組蛋白H3-H4結合域突變，發(fā)現Pol32與親代組蛋白H3-H4的相互作用遭到破壞，這進(jìn)一步證實(shí)了Mcm2和Pol32兩者之間存在的緊密聯(lián)系。綜合這些發(fā)現，DNA聚合酶δ亞基Pol32被鑒定為Mcm2下游的關(guān)鍵組蛋白伴侶，它能夠介導DNA復制過(guò)程中親代組蛋白向滯后鏈的傳遞（圖3）。這一發(fā)現不僅揭示了親代組蛋白傳遞機制的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節，還為未來(lái)關(guān)于遺傳信息和表觀(guān)遺傳信息傳承的研究提供了新的方向。
圖3. Mcm2，H3-H4以及Pol32在復制叉處的互作
中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的助理研究員田聰聰、助理研究員周嘉琦、研究助理張紫微和四川大學(xué)的博士生張琴、美國明尼蘇達大學(xué)的博士后賈靜為論文的共同第一作者。該研究獲得國家合成生物學(xué)重點(diǎn)研發(fā)計劃，國家自然科學(xué)基金重大項目，中國科學(xué)院戰略性先導科技專(zhuān)項，國家自然科學(xué)基金面上項目、青年項目、廣東省自然科學(xué)杰出青年基金、深圳合成生物學(xué)研究創(chuàng )新研究院科研計劃和深圳市醫學(xué)研究基金等多個(gè)項目的支持。
專(zhuān)家點(diǎn)評
深圳大學(xué)朱衛國教授：
近年來(lái)研究發(fā)現親代組蛋白的遺傳對子細胞的表觀(guān)重建、分化特征維持、乃至個(gè)體發(fā)育都至關(guān)重要。DNA復制偶聯(lián)的親代組蛋白傳遞保證了表觀(guān)基因組的穩定遺傳，甘海云和合作者此前發(fā)現解旋酶亞基MCM2和DNA聚合酶polα負責親代組蛋白向滯后鏈的傳遞。然而，MCM2本身位于前導鏈上，polα作為引物酶只能合成滯后鏈復制所需的RNA引物和大約30nt的DNA序列，很顯然無(wú)法完成整個(gè)滯后鏈的親代組蛋白回收。這個(gè)問(wèn)題也一直成為謎題。這項研究甘海云領(lǐng)銜的團隊發(fā)現在酵母細胞中DNA聚合酶polδ的非必需亞基pol32可以作為組蛋白伴侶將親代組蛋白至滯后鏈，該研究完成了DNA復制偶聯(lián)的組蛋白回收通路的最后一塊拼圖，完善了DNA復制偶聯(lián)組蛋白回收的理論，把DNA復制和染色質(zhì)復制終于統一到了一起。另外，有證據表明polδ可能參與DNA損傷修復過(guò)程，甘海云和合作者最近的NAR文章也發(fā)現親代組蛋白傳遞缺陷會(huì )影響同源重組頻率。這些研究不僅填補了先前對組蛋白回收機制的認識空白，還為研究DNA損傷修復過(guò)程中的染色質(zhì)修復提供了新的視角。
PI與課題組簡(jiǎn)介
甘海云博士，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所研究員，博士生導師。近五年來(lái)研究成果發(fā)表在Science、Nature Medicine、Nature Genetics、Molecular Cell、Nature Communications、Genes & Development、PNAS、eLife、The EMBO Journal、Nucleic Acids Research等知名期刊，累計引用超過(guò)3400次。
課題組主要研究方向為利用系統生物學(xué)、合成生物學(xué)以“干濕”實(shí)驗結合的模式研究表觀(guān)基因組信息的傳遞機制以及其在腫瘤發(fā)生和耐藥性產(chǎn)生、全能性細胞（2C）、細胞衰老、染色體外DNA（ecDNA）、合成表觀(guān)重構、DNA復制起始分子復合物、人工細胞等的表觀(guān)遺傳調控機制。
課題組現招聘有表觀(guān)基因組學(xué)、合成生物學(xué)、生物信息學(xué)、腫瘤生物學(xué)、細胞生物學(xué)等任一相關(guān)研究背景博士后1-2名，研究助理2-3名，歡迎志同道合的朋友投送簡(jiǎn)歷至hy.gan@siat.ac.cn，簡(jiǎn)歷及郵件標題注明“應聘崗位-學(xué)校名稱(chēng)-專(zhuān)業(yè)-姓名”。