日前(21日)，德國亥姆霍茲慕尼黑研究中心(Helmholtz Munich)表觀基因體及幹細胞研究所的研究團隊，透過單細胞Repli-Seq技術解開了哺乳類早期發育中「複製時序」(replication timing)在表觀遺傳及細胞發育的重要性，進而為細胞的可塑性(cell plasticity)帶來新見解。這項研究刊登在《Nature》。
 
DNA複製是細胞分裂乃至生命延續的過程中最關鍵的步驟之一，且這個過程不僅要複製遺傳資訊，還會牽涉到各個分子事件是否都依照正確的時序發生，基因體也會依照複製時序，而有早期區域和晚期區域之分。
 
由於複製時序與基因體在細胞核內的3D結構緊密關聯，因此也被認為是一種表觀遺傳學的指紋(epigenetic fingerprint)；此外，不同細胞種類的複製時序也會有所差異，因此也與細胞身分(cell identity)有關。
 
不過，雖然複製時序在表觀基因體的維繫中如此重要，但哺乳類動物體內與複製時序相關的發育調控機制，迄今卻未被充分探索。因此在此研究中，團隊利用單細胞Repli-Seq技術，深入研究老鼠胚胎在基因體尺度的RT圖譜，研究RT和細胞可塑性的關聯。
 
這項研究從胚胎最早的階段——合子(zygote)開始，描繪了一系列的RT圖譜，從最早的單細胞階段，到胚胎著床於子宮的囊胚(blastocyst)階段。令他們感到驚訝的是，他們發現尚處於單細胞階段的胚胎，其複製時序還不是很整齊(ordered)，顯示在早期細胞內的基因體複製(genome duplication)還很有彈性。
 
不過，胚胎在經過四細胞期(4-cell stage)後，複製時序就會逐漸變得更加定型。研究團隊表示，這個過程與染色質標記(chromatin marks)的強化重疊，反映出在此階段中，DNA和相關的蛋白質修飾就會逐步就位，這對基因活性與細胞功能都很重要。
 
通訊作者Maria-Elena Torres-Padilla解釋，這項發現說明了早期胚胎細胞的基因體複製程序可塑性非常高，它們具有全能性(totipotent)，能夠成為我們體內的每一種細胞，而DNA複製時序不僅參與其中，也有機會成為科學家改變細胞身分，成為細胞重編程(reprogramming)的工具。
 
有趣的是，研究團隊還獲得多項發現，包括基因在細胞核內摺疊成3D結構的方式，竟然也與複製時序有關；負責讀取基因編碼、將之轉錄成RNA的RNA聚合酶，也會參與複製時序的確立，並決定在合子基因體活化過程中的染色質標記；以及，基因體的3D結構會先成形，複製時序才會接著進行，決定基因體哪些區域較早複製、哪些區域較晚複製。
 
研究團隊表示，這項發現相當令人振奮，因為它說明了我們的基因體如何適應細胞核的三維空間，且會影響複製時序的靈活性，也讓我們對哺乳類發育的表觀基因體有更好的了解，並揭示了基因體組織的規則。
 
參考資料：
https://www.sciencedaily.com/releases/2023/12/231221012721.htm
原始研究：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06872-1
 
(編譯 / 吳培安)