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DNA仿制是生命体最根底的生物学进程，操控着遗传信息的准确传递。仿制源激活构成的一对“Y”形姐妹仿制叉（sister replication forks），以相反方向进行仿制，直至与另一个相向跋涉的仿制叉相遇，产生仿制停止。前期，范畴内对DNA仿制的了解首要建立在一些简略方式生物的研讨上，核心问题就在于了解仿制开端、延伸和停止进程以及仿制进程的细胞周期调控，并成功使用芽殖酵母的纯化蛋白在体外重建了真核生物的DNA仿制开端进程，完结了从仿制源识别到仿制叉构成的整个生化进程。
虽然在方式生物中的研讨取得了注目开展，咱们对高级哺乳动物DNA仿制的了解依然仅仅冰山一角。DNA仿制产生在染色质上，因而会遭到染色质环境及其它DNA代谢进程的调控。酵母的DNA含量仅为人细胞的1/500，且仅具有相对简略、开端的染色质结构，而高级哺乳动物的基因组巨大，其染色质高度折叠，在细胞核内部构成巨大的“染色质边境”，其间每条染色体都具有十分杂乱的层级结构。在这样的情况下，履行DNA仿制的分子机器并非孤立存在，而是或许在空间上彼此接近，构成“仿制工厂（replication factory）”，有规则地履行仿制进程。因而，哺乳动物的DNA仿制既会遭到染色质环境的调控和束缚，又需求有组织地运转，不断和谐与其它DNA代谢事情的联系，在确保DNA和表观遗传信息安稳遗传的一起保护基因组的安稳性。
跟着研讨技能的开展和研讨数据的堆集，在未来，体系性、全体性地研讨人类杂乱染色质环境下的DNA仿制将是一个必然趋势。哺乳动物仿制体系的杂乱性给研讨带来了巨大应战，也致使范畴内对人类本身DNA仿制的一起机制了解尚不深化。此外，高通量、高分辨率研讨办法也缺少，导致现在这一范畴的开展依然处于初级阶段。
该研讨建立了首个检测DNA仿制叉邻近染色质彼此作用的办法，并发现在人类和小鼠细胞的DNA仿制进程中，仿制叉并非传统模型中以为的独立反方向前进，而是彼此之间可以以偶联的方式继续彼此作用，协同完结整个仿制延伸进程，并辅导仿制停止。
研讨团队首要建立了一种名为Repli-HiC的高通量测序办法，该办法使用核苷类似物BrdU瞬时符号仿制进程中的细胞，并结合ChIA-PET和原位Hi-C的技能原理检测仿制进程中重生DNA区域相关的染色质彼此作用。经过Repli-HiC得到的染色质互作矩阵，研讨者在人类K562细胞和小鼠胚胎干细胞中观察到垂直于互作矩阵对角线的染色质互作信号，其形状类似于喷泉结构，故将其命名为染色质喷泉，并使用新开发的生物信息学算法Fun，在基因组范围内判定出了数千个喷泉位点（图1）。
结合课题组从前开发的依据核苷类似物刺进检测DNA仿制开端事情的测序办法NAIL-seq以及用于判定DNA仿制事情的冈崎片段测序OK-seq，该研讨进一步发现染色质喷泉的构成或许和DNA仿制进程紧密联系，并依据它们的结构特征和构成方式将其划分为两大根本类型：榜首类和第二类染色质喷泉。其间，榜首类喷泉结构的延伸长度较短（中位数为160kb）、宽度较窄，结构的初始方位和仿制开端区域相对应，而延伸的结尾与仿制停止区共定位。该结构暗示着从同一个开端源产生的一对姐妹仿制叉从仿制的开端方位开端，便以偶联的方式继续地彼此作用在一起，依照大致持平的速度进行双向仿制，直至仿制停止区域（图2A和2B）。一起，这类喷泉结构也暗示着姐妹仿制叉双生子（replication twinsome）结构或许是仿制工厂的根底单元，为仿制工厂理论供给了重要的分子依据。第二类喷泉的延伸长度较长（中位数为1Mb左右）、宽度较宽，且喷泉结构的中心坐落于仿制停止区域产生的方位，两边结尾则存在DNA仿制开端事情。该结构标明来自于两个不同仿制开端区域的仿制叉，也在染色质彼此作用下有时机成对偶联，由两边向中心区域相向跋涉，直至抵达仿制停止区域（图2C和2D）。这标明DNA仿制停止是一个预决议的事情，而非一个随机产生的仿制叉磕碰事情（图3）。
图2：DNA仿制叉偶联。A-D.偶联的姐妹仿制叉（A和B）和相向跋涉仿制叉（C和D）别离构成榜首类和第二类染色质喷泉结构。在A和C中，EdU/HU判定前期仿制开端；OK-seq判定仿制开端（由负到正）和停止（由正到负）。浅绿色布景中展现了Repli-HiC剖析仿制开端、延伸和停止阶段的二维矩阵示意图。
图3：仿制的经典模型和本作业提出的仿制叉的偶联模型。传统模型以为彼此别离的DNA仿制叉履行仿制延伸和停止。本作业发现DNA仿制叉在整个仿制进程中并不是孤立的，而以相互偶联的构成辅导DNA组成
综上，该研讨是范畴内初次在高级哺乳动物细胞中体系解析DNA仿制叉在染色质环境下成对偶联延伸的空间组织方式，不只支撑仿制工厂的根本模型，提出了DNA仿制停止的预决议模型，推翻了传统教科书中的模型（图3），更为体系性研讨DNA仿制、基因组安稳性和相关生理疾病的产生供给了全新的视角和理论根底，一起引申出一系列重要的科学问题：仿制叉偶联的结构根底、分子机制及背面的生理学含义是什么，仿制叉的偶联进程怎么遭到染色质环境及其它DNA代谢事情的调控等。总归，该研讨为DNA仿制范畴铺平了路途。
该作业由北京大学生命科学学院和北大-清华生命科学联合中心胡家志研讨员、李晴教授、孔道春教授、高宁教授和季雄研讨员组协作完结，胡家志研讨员为该论文的通讯作者。生命科学学院博士后刘阳博士、2021级博士研讨生张丁峥嵘及刘栩豪为该论文的一起榜首作者。甘婷婷博士、艾晨博士、吴锦淳博士、梁昊昕、陈莫晗、郭岳峰、卢如森、蒋永鹏博士等在该作业中亦有重要贡献。该研讨还得到了北京大学生命科学学院吴虹教授、中科院生物物理所朱冰研讨员和浙江大学生命科学研讨院阮一骏教授的协助和辅导。该作业得到了国家自然科学基金、科技部及农业部的支撑。
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