PNAS & NAR | 完成！DNA复制偶联亲代组蛋白回收的“最后一块拼图”

PNAS & NAR | 完成！DNA复制偶联亲代组蛋白回收的“最后一块拼图”

DNA复制和组蛋白传递是生物体内两个紧密相连的过程，它们共同确保了遗传信息的准确传递和生物体的正常运作。在DNA复制过程中，复制叉前的亲代核小体结构需要被解组装，同时，亲代核小体上的组蛋白会被传递到复制叉后面新生成的子链DNA，包括前导链（leading strand）和滞后链（lagging strand）上重新组装形成核小体，实现表观遗传信息的传递和继承。

5月8日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所、深圳合成生物学创新研究院的甘海云研究员课题组，美国明尼苏达大学Hormel研究所于传贺教授和四川大学华西医院生物治疗全国重点实验室、疾病分子网络前沿科学中心韩俊宏教授课题组在PNAS（Proceedings of the National Academy of Sciences）发表了题为“DNA polymerase delta governs parental histone transfer to DNA replication lagging strand”的文章，该研究发现聚合酶δ（Pol δ）在DNA复制期间作为关键伴侣蛋白，将亲代组蛋白传递到滞后链上，确保携带亲代组蛋白翻译后修饰的表观遗传信息能够忠实地传递给子代细胞。这一发现揭示了Pol δ在复制DNA滞后链时促进亲代组蛋白遗传的精细过程。Pol δ被认为参与DNA损伤修复过程，但其功能未知，这提示组蛋白回收可能参与DNA损伤修复过程。

仅两个月前，同样由甘海云研究员课题组及于传贺教授在NAR（Nucleic Acids Research）发表题为“Defective transfer of parental histone decreases frequency of homologous recombination by increasing free histone pools in budding yeast”的文章，该研究明确了亲代组蛋白H3-H4四聚体传递遭到破坏时产生的遗传和表观遗传结果。这一发现揭示了DNA复制过程中亲代组蛋白正确传递不仅对维持染色质结构的稳定性至关重要，而且任何由于亲代组蛋白传递缺陷导致的同源重组活性降低都可能对细胞健康产生不利影响。

近年来，甘海云研究员与合作者通过开发能特异性检测DNA复制过程中前导链和滞后链结合蛋白的技术 (enrichment and sequencing of protein-associated nascent DNA，eSPAN），发现DNA聚合酶Pol ε在合成DNA的同时，其亚基Pole3和Pole4还负责将亲组蛋白传递到前导链（Science, 2018）。Mcm2（Mcm2-7解旋酶的一个亚基）通过Pola将亲组蛋白传递到复制DNA的滞后链（Molecular Cell, 2018）。但MCM2本身位于Leading链上，Polα只能合成RNA引物和大约30nt的DNA序列，表明仅凭目前已知的通路无法完成Lagging上的组蛋白回收，这一直成为科研工作者们探索的谜题。

甘海云研究员课题组及其合作者经过大量的筛选和实验验证，最后发现滞后链DNA聚合酶δ的非必需亚基Pol32的缺失，会导致复制过程中亲代组蛋白H3-H4主要传递到前导链。进一步的生化分析表明，Pol32在体内和体外都能与组蛋白H3-H4结合（图2）。

研究还通过将Mcm2内组蛋白H3-H4结合域突变，发现Pol32与亲代组蛋白H3-H4的相互作用遭到破坏，这进一步证实了Mcm2和Pol32两者之间存在的紧密联系。综合这些发现，DNA聚合酶δ亚基Pol32被鉴定为Mcm2下游的关键组蛋白伴侣，它能够介导DNA复制过程中亲代组蛋白向滞后链的传递（图3）。这一发现不仅揭示了亲代组蛋白传递机制的一个关键环节，还为未来关于遗传信息和表观遗传信息传承的研究提供了新的方向。