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2024年09月11日 08:06 上海
在早期胚胎发育过程中，从最初的受精卵开始，一次次有丝分裂构成了不断生长的胚胎。而每一次分裂都伴随着DNA复制，以确保每个子代细胞都含有完整的遗传信息。
当然，这是理想状态。实际情况是，在早期胚胎发育过程中，DNA复制时常出错、导致染色体分离异常，并且这种异常出现的频率明显高于体细胞。要知道，染色体分离异常是造成妊娠失败和先天性遗传疾病的重要原因。这些致病的错误究竟是怎么发生的？由于缺乏在单细胞水平实时观测早期胚胎的工具，这些问题仍未得到解决。
在一项近期发表于《自然》的研究中，日本理化学研究所生物系统动力学中心的研究团队借助一项开创性分析技术，颠覆了数十年来对于早期胚胎DNA复制的看法。研究首次发现， 在最初的1细胞、2细胞期，DNA复制过程与既有的认知截然不同；而作为过渡阶段的4细胞期，则是一段容易出现染色体复制错误的不稳定时期，这正是大量异常出现的根源。
在该研究中，研究团队使用了他们于2019年发表的单细胞DNA复制分析技术（single-cell DNA replication sequencing，简称scRepli-seq）。这项技术可以对单个细胞在S期（即DNA合成期）的DNA复制状态进行高分辨率分析，同时还能以高分辨率检测非整倍体。因此，这项能够“拍摄”单个胚胎细胞DNA快照的技术，是研究小鼠早期胚胎中染色体复制异常的绝佳工具。
以往对体细胞的研究，为我们展示了DNA复制的基本过程。首先对于整个染色体而言，不同区域并不是同时进行DNA复制的，而是会按照特定的顺序依次、有序地复制。对于每一个正在进行复制的染色体区域，复制也并非从一个起点开始，单向进行的。
我们知道，DNA复制首先需要解开双螺旋结构、形成两条DNA链。在这里，原始的双螺旋和两条子链组成了一个叉状结构，这就是代表了复制起点的复制叉。复制叉沿着DNA链移动，开始DNA复制。
▲体细胞的DNA复制过程，其中不同区域依次进行（图片来源：参考资料[3]；日本理化学研究所）
在体细胞中，复制叉的数量并不多——大约10万个碱基对只有一个复制叉，但复制叉移动的速度并不慢，因此整个S期需要8~10个小时。
而当研究团队利用scRepli-seq观测小鼠胚胎从受精卵到囊胚期的动态过程时，他们看到了前所未见的DNA复制场景。
▲利用scRepli-seq得到的不同阶段早期胚胎成像，其中品红色为染色体（图片来源：参考资料[3]）
在最初的1细胞和2细胞期，染色体的DNA复制不再是有序受控地进行，而是在各个区域同时进行，整个染色体都被均匀复制。而发生该过程的前提是，1细胞和2细胞期的复制叉非常多，密度是正常体细胞的5倍以上。
有了这么多复制起点，整个DNA复制的过程是不是也要快上好几倍呢？并不是。这些复制叉的移动速度比体细胞慢很多，最终的S期长度约为4~5小时。
而到了8细胞期，无论是与体细胞相当的复制叉移动速度，还是与体细胞更接近的有序复制方式，这时的胚胎都表现出了接近体细胞的特征。
那么在两者之间的4细胞期，又发生了什么呢？研究团队发现，其中的故事更加奇幻。一方面，4细胞期的复制叉移动和1、2细胞期一样缓慢；另一方面，该阶段存在明确的复制时序控制，这一点又与8细胞期和体细胞一致。也就是说，4细胞期结合了早期胚胎与体细胞的特征。
▲研究揭示了早期胚胎不同阶段各自的DNA复制过程（图片来源：参考资料[3]）
更加令研究人员感到惊讶的是，作为过渡期的4细胞胚胎，还是染色体分离异常的重灾区。借助scRepli-seq技术，作者检验了各阶段的染色体分离异常。结果，在从4细胞向8细胞期转变的阶段，染色体分离异常的频率极高，达到了13%，远高于胚胎的前后阶段。其中，大部分分离异常是由染色体断裂引起的，另外有少量来自整个染色体的缺失或获得。此外，这些异常往往集中在S期晚期复制的区域中。
进一步的分析表明，这种异常可能由4细胞期的复制错误导致，而复制错误则与该阶段复制叉的缓慢移动有关。由于移动缓慢，4细胞胚胎可能还没来得及完成DNA复制就进入了分裂期、在离开未复制区域的同时进行染色体分离，从而导致染色体分离异常。
由此，这项研究在早期胚胎发育阶段发现了全新的DNA复制机制、揭示了过渡期染色体分离异常频繁发生的现象与原因。领导该研究的Ichiro Hiratani教授在理化学研究所的新闻报道中表示，这一发现引发了众多新问题，“例如，这一系列现象是否在其他物种（包括人类胚胎）中进化保守？染色体畸变的细胞随后命运又会如何？” 在指导基础研究之余，这一发现还将帮助制定更好的体外受精策略，并且或将有助于相关发育障碍的研究与治疗。
封面图来源：123RF
参考资料：
[1] Takahashi, S., Kyogoku, H., Hayakawa, T. et al. Embryonic genome instability upon DNA replication timing program emergence. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07841-y
[2] Chromosome copying errors pinpointed in embryo development. Retrieved Aug 28, 2024 from https://www.eurekalert.org/news-releases/1055954
[3] https://www.riken.jp/press/2024/20240829_1/index.html