基因组的准确复制对于任何生物来说都是一个至关重要的步骤，复制的高保真性不仅能维持正常的生理功能，还保障了生物体的正常发育和健康衰老，并且可以极大的限制癌症和其他基因疾病的发生【1,2】。哺乳动物的基因组复制需要成千上万个DNA复制起始位点，而绘制基因组中的DNA复制起始位点一直是一个重要的任务。现有的研究主要利用体外培养细胞进行鉴定DNA复制起始位点，但由于样本多样性和方法的差异，不同研究识别的起始位点并不相同【3,4】。目前尚不清除这些体外研究获得的结果是否反映了体内基因组复制动态。为了更好的理解哺乳动物基因组的复制动态，构建一个体内系统用于绘制DNA复制起始位点十分重要。同时，生理状态（如衰老）对体内基因组复制的影响也有待阐明。近日，来自瑞士日内瓦大学的Thanos D. Halazonetis在Cell上发表了论文In vivo DNA replication dynamics unveil aging-dependent replication stress。在本研究中，作者揭示了体内DNA复制起始位点的激活动态，并发现了ATR抑制剂在DNA复制和细胞应激反应中的复杂作用，特别是对于衰老生物来说，抑制ATR不仅可以恢复复制起始点的活性，还会引发炎症反应，但是这种炎症可能对组织功能产生负面影响。为了研究体内DNA复制动态，研究人员选择再生小鼠肝脏作为研究模型。成年哺乳动物的肝脏细胞通常不增殖，但在部分肝切除术后，它们可以被诱导几乎同步的进入S期（DNA合成期）。因此肝脏再生提供了一个理想的研究对象，可以获得非增殖的组织（未切除的肝细胞）和同步增殖的组织（再生的肝细胞），这有助于获得体内DNA复制起始位点的详细图谱。作者通过渗入EdU（一种胸苷类似物，可以掺入新合成的DNA链中，用于标记正在进行复制的区域）和HU（一种核糖核苷酸还原酶抑制剂，可以限制复制叉的前进，帮助定位DNA复制起始点）处理，再结合高通量测序技术EdU-seq-HU，总共鉴定到3517个复制起始位点。比较不同小鼠之间的复制起始位点，发现个体之间的复制起始位点激活具有高度一致性。将DNA复制起始位点与新生转录本数据进行整合后，作者发现在全基因组范围内，复制起始位点的两侧有明显的新生转录信号，但在复制起始位点自身几乎没有转录信号，复制起始位点更多的位于基因间区域，这表明复制起始位点倾向于避开转录活跃的区域。作者进一步的分析了DNA复制起始位点与基因转录之间的关系。他们重点研究了复制与转录的方向性和复制起始位点与表达基因的距离。结果表明，复制和转录之间存在同向性的偏好，这种同向性可能有助于减少复制和转录机械装置之间的冲突，从而提高基因组复制和转录的效率和准确性。此外，复制起始位点偏好位于基因前方10–50 kb的范围内，这种定位偏好有助于确保DNA复制和基因表达的高效进行，减少可能的冲突。在对比了小鼠和人类基因组后，作者还发现复制起始位点的位置和距离在小鼠和人类之间是进化保守的。这意味着复制起始位点相对于基因转录序列的位置（位于TSS上游或TTS下游）以及它们与TSS/TTS之间的距离在进化过程中保持稳定。DNA复制应激可以诱导备用复制起始位点的启动，这些备用起始位点在正常情况下不被利用，只有在复制受阻时才被激活，以确保基因组的完整性。鉴于此，作者引入了DNA复制应激来分析这些潜在的备用起始位点是否会被激活。通过HU和ATR抑制剂（ATRi）来引发复制应激，研究发现在部分肝切除后，DNA复制应激可以激活备用复制起始位点。不同的是，这些备用位点位于表达序列的附近，但在基因的另一侧，与初始鉴定的复制起始位点相对。这表明，在DNA复制受到应激时，备用起始点可能被激活以确保基因组的复制完整性。文章的最后，作者想要了解衰老小鼠肝细胞再生时，复制起始位点的激活是否受到影响。研究人员分析了12个月、18个月和22个月的衰老小鼠在部分肝脏切除后的DNA复制起始位点激活情况。结果表明，随着小鼠年龄的增长，肝细胞再生时DNA复制起始位点的激活效率显著降低，这种激活缺陷并非受到相关基因的表达影响。这一结果为进一步研究老化过程对DNA复制和细胞再生的影响提供了新的线索。前面提到，ATRi处理可以激活备用起始位点，因此作者想要探究ATRi的这个功能是否可以作为潜在的治疗衰老引起的DNA复制起始位点激活缺陷的策略。通过注射ATRi，作者发现该抑制剂在衰老小鼠中能够恢复肝细胞DNA复制起始位点的激活效率，但是在后期诱导了明显的炎症反应。详细分析肝细胞增殖情况后发现，ATRi并未显著提高衰老小鼠中肝细胞的增殖比例，这可能表明该抑制剂主要通过影响DNA复制应激和炎症反应来发挥作用，而不是直接促进细胞增殖。总的来说，作者巧妙地利用哺乳动物肝脏再生揭示了体内DNA复制起始位点的动态与基因转录之间的关系，并结合衰老模型发现ATR检查点激酶在缓解与复制效率下降相关的炎症中的关键作用。https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.08.034制版人：十一
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