李國紅／朱明昭組揭示H2A.Z對DNA復制起始位點調控

　　已知大部分生物的遺傳信息都儲存在雙鏈DNA上，遺傳信息的精確傳遞對生命的繁衍和進化至關重要。而這個信息傳遞過程依賴于DNA復制這一基本的細胞活動。DNA復制包含起始、延伸和終止三個步驟。細胞在G1期時，復制起始識別復合物(Origin Recognition Complex, ORC)識別染色質上的復制位點，進一步的招募DNA解旋酶MCM等，形成復制前體復合物(pre-Replication Complex)，完成復制起始位點的認證。而當細胞進入復制期S期時，被認證的復制起始位點被選擇性的激活使用【1,2】。

　　在真核生物中，DNA與組蛋白八聚體相互纏繞，形成核小體。而核小體再經過進一步的折疊，形成更高級結構的染色質。而在復雜的染色質上也存在多個復制位點。真核生物DNA復制起始位點的選擇受DNA序列和表觀遺傳因素共同調控【3】。在釀酒酵母中，已經發現能被復制起始識別復合物（ORC）識別的具有保守序列的DNA復制起始位點【4】。然而，在其他多細胞真核生物中，還沒有鑒定出能被ORC識別的特定保守序列。目前關于ORC是如何在染色質上選擇DNA復制起始位點的機制仍然不清楚。

　　2019年12月25日，來自中國科學院生物物理研究所的李國紅課題組與朱明昭課題組合作，在Nature上發表了題為“H2A.Z facilitates licensing and activation of early replication origins”的文章。該文章發現組蛋白變體H2A.Z能夠通過H2A.Z-SUV420H1-H4K20me2-ORC1通路幫助在染色質上進行復制起始位點的選擇，并進一步發現受H2A.Z調控的復制位點相比與其他的復制位點有著更高的復制信號，也更偏向在復制期早期被激活使用。

　　作者首先發現在HeLa細胞中敲低組蛋白變體H2A.Z會影響細胞的增殖。為了分析H2A.Z調控增殖的原因，作者通過質譜實驗在HeLa細胞內鑒定了與H2A.Z核小體相互作用的蛋白。質譜結果發現，許多復制前體復合物中的亞基都特異的富集在了H2A.Z核小體上。接下來作者通過生物化學和細胞生物學等實驗，詳細了分析H2A.Z核小體與復制前體復合物相互作用的機制。研究結果發現含有組蛋白變體H2A.Z的核小體能夠通過直接結合甲基化酶SUV420H1，促進核小體上的H4組蛋白第20位賴氨酸發生二甲基化修飾（H4K20me2）。而帶有H4K20me2修飾的H2A.Z核小體，能夠招募復制前體復合物中的ORC1（Origin Recognition protein 1）蛋白，從而幫助染色質上復制起始位點的選擇。

　　通過全基因組學分析，作者發現在HeLa細胞中，H2A.Z與H4K20me2、ORC1以及被激活使用的復制起始位點在全基因組上有非常高比例的共定位。而當在HeLa細胞中敲低H2A.Z時，H4K20me2、ORC1以及復制信號都有大幅降低。作者進一步分析受H2A.Z調控的復制起始位點的特征，發現這類復制位點比其他的復制位點有更高的復制信號，并偏向在復制期早期被激活使用。

　　為了研究這個通路在生理條件下的作用，作者構建了在小鼠T細胞中條件性敲除H2A.Z的小鼠。研究結果發現，在T細胞中條件性敲除H2A.Z會導致活化后的T細胞增殖變慢，復制信號顯著降低。

　　綜上所述，該研究闡述了一個新穎的由H2A.Z介導的DNA復制表觀遺傳調控機制（H2A.Z-SUV420H1-H4K20me2-ORC1），對理解真核生物DNA復制起始位點的選擇提供了新的視角，同時也為未來探討DNA復制起始的異常調控在腫瘤發生過程中的作用機制提供了新思路。

　　據悉，中國科學院生物物理研究所生物大分子國家重點實驗室李國紅課題組的龍海珍，張力圩，溫增麒，以及生物物理所感染與免疫重點實驗室朱明昭課題組的的呂夢婕為本文的共同第一作者。朱明昭課題組的金彩薇，生物物理研究所質譜平臺楊福全課題組的陳秀蘭，清華大學鄧海騰課題組的張文浩，北京大學裴劍鋒課題組的李佟清對本文也有重要貢獻。

　　參考文獻

　　1. O’Donnell, M., Langston, L. & Stillman, B.Principles and concepts of DNA replication in bacteria, archaea, and eukarya. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 5, a010108 (2013).

　　2. Fragkos,M., Ganier, O., Coulombe, P. & Méchali, M. DNA replication origin activationin space and time. Nat. Rev. Mol. CellBiol. 16, 360–374 (2015).

　　3. MacAlpine,D. M. & Almouzni, G. Chromatin and DNA replication. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 5, a010207 (2013).

　　4. Dhar,M. K., Sehgal, S. & Kaul, S. Structure, replication efficiency andfragility of yeast ARS elements. Res.Microbiol. 163, 243–253 (2012)