Nat Genet：延缓DNA复制叉速度可导致细胞命运变化和增强细胞重编程效率

2022年3月8日讯/生物谷BIOON/---细胞可塑性是多细胞生物的一个基本要求。哺乳动物早期胚胎中的细胞可塑性最强，因为它们可以生成身体中的每一种细胞类型。特别是，小鼠合子以及2细胞阶段胚胎中的每个卵裂球（blastomere）都是全能性的，因为它们可以自己产生一个新的生物。这与多能性细胞形成鲜明对比，多能性细胞可以产生体内的所有细胞，但不能产生胚胎外组织。因此，全能性细胞具有更大的细胞可塑性。然而，维持全能性的机制还不甚明了。

DNA复制是遗传和表观遗传的一个基本过程。然而，早期哺乳动物胚胎如何复制它的DNA以及全能性的获得是否通过DNA复制依赖性机制来调节，都是未知的。鉴于DNA复制叉（replication fork）的分子特性对调节DNA复制至关重要，来自德国慕尼黑大学和亥姆霍兹慕尼黑中心等研究机构的研究人员在一项新的研究中着手研究体内全能性细胞和体外培养中的全能样细胞（totipotent-like cell，即类似于全能性细胞的细胞）的复制叉动态。相关研究结果于2022年3月7日在线发表在Nature Genetics期刊上，论文标题为“DNA replication fork speed underlies cell fate changes and promotes reprogramming”。

在这项新的研究中，这些作者采用DNA纤维分析来研究如何将多能性干细胞重编程为全能样2细胞样细胞（totipotent-like 2-cell-like cell, 2CLC）。他们发现早期小鼠胚胎中的全能性细胞具有缓慢的DNA复制叉速度，2CLC再现了这一特征，这表明DNA复制叉速度是多能性干细胞向全能样状态过渡的基础。

2CLC与DNA复制同时出现，并且与多能性细胞相比，显示出复制时间（RT）的变化，特别是在S期早期。复制时间的变化发生在2CLC出现之前，这表明复制时间可能会导致多能性细胞的基因表达变化和随之而来的细胞命运重编程。延缓DNA复制叉速度在实验中可以诱导多能性干细胞转化为2CLC。

降低DNA复制叉速度增强体细胞核移植后的胚胎的发育潜能。图片来自Nature Genetics, 2022, doi:10.1038/s41588-022-01023-0。

将终末分化的体细胞移植到去核的卵母细胞中可以被重编程为全能性细胞。然而，这个过程是低效的，通常2细胞阶段之后的发育被认为是一个瓶颈。考虑到在2细胞阶段胚胎中观察到的较慢的DNA复制叉速度，这些作者探讨了降低DNA复制叉速度是否能提高使用卵丘细胞（cumulus cell）作为供体的体细胞核移植（SCNT）效率。在正常受精胚胎中，导致DNA复制叉速度下降的羟基脲处理不影响发育进程。值得注意的是，羟基脲处理大大增加了SCNT的效率，导致与对照组相比，发育率明显提高（3.5倍，P = 0042）。对核移植后的胚胎的RNA-seq分析表明克隆胚胎高效地重置了它们的转录图谱。因此，这些结果表明，操纵DNA复制叉速度可以改善克隆并促进重编程到全能性。

综上所述，这些数据表明DNA复制叉速度调节细胞可塑性，复制特征的重塑导致了细胞命运和重编程的变化。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Tsunetoshi Nakatani et al. DNA replication fork speed underlies cell fate changes and promotes reprogramming. Nature Genetics, 2022, doi:10.1038/s41588-022-01023-0.