酵母“新”组蛋白在DNA复制子链上分配机制

Successful assembly replicating DNA into nucleosomes using both newly synthesized and parental histones during S phase is critical for the inheritance of epigenetic information as well as maintenance of genome integrity. However, how newly synthesized histone and recycled parental histones segregate on daughter strands remains one of the most enigmatic, yet fundamental questions in the epigenetic and chromatin field. Accumulated data showed that histone modifications and histone chaperones are critical to regulate nucleosome assembly coupled with DNA synthesis. For instance, in the budding yeast Saccharomyces cerevisiae, acetylation on H3 lysine 56 (H3K56Ac) is new born histone marker and regulates newly synthesized histone H3-H4 to deposit on replicating DNA mediated by histone chaperone CAF-1 and Rtt106. Besides CAF-1 and Rtt106, our recent study also showed that FACT complex also plays a direct role in depositing H3K56Ac marked histone onto replicating DNA. Enrichment and sequencing of protein-associated nascent DNA (eSPAN) is a recently developed method using BrdU incorporation into replicating DNA in combination with NGS sequencing to detect proteins with strand specificity at replication forks. In this proposal, we will use eSPAN methods to map the H3K56Ac marked histone on replication forks in wild type and a serial of FACT mutants. We expect that successful completion of this project will provide novel insight into histone segregation during chromatin replication and the inheritance of epigenetic information.

染色质携带表观遗传信息和DNA蕴含的基因组信息保持互动，DNA复制时染色质也同步复制，其中关键的一步是DNA复制耦联（RC）的核小体组装。相对于清晰的DNA的半保留复制机制，染色质复制的机制有太多的未知有待探索，其中之一是组蛋白在已完成复制的DNA子链的分配机制。目前发现参与DNA复制耦联的核小体组装的组蛋白一半是来源于复制叉前“旧”组蛋白，另一半是来源于S期合成的“新”组蛋白，而且“新”“旧”组蛋白各自被分子伴侣呈递到复制叉参与核小体组装。由此而产生的问题是“新”“旧”组蛋白在DNA子链的分配机制，包括在同一条子链上的排列规律以及前导链和滞后链间的分配机制。此问题困扰了该领域几十年，本项目将使用eSPAN技术研究带有特异标记H3K56Ac的“新”组蛋白在DNA子链上的分配规律，揭示组蛋白分子伴侣及DNA复制机器在这个过程的调节功能，理解染色质复制的机理。

在真核生物的细胞分裂过程中，子代细胞不但高保真继承亲代细胞的DNA序列，同时也继承了类同的基因表达模式，其中一个关键机制是亲代细胞通过染色质复制将携带的表观遗传信息传递给子细胞，因此染色质复制是细胞有丝分裂相关的表观遗传信息传承的核心步骤。染色质复制核心步骤是 DNA复制偶联的核小体组装，这个过程包括了“旧”组蛋白的回收，“新”组蛋白的运输，“新”、“旧”组蛋白在复制叉上呈递，最后在其中一条新合成的DNA子链上完成组装。这其中涉及两个问题：第一是在前导链或者滞后链形成核小体的“新”、“旧”组蛋白水平相当；第二是前导链或者滞后链上组装的核小体水平相当。这是个复杂的过程，众多的因子参与此过程，包括了组蛋白分子伴侣和DNA复制体元件。基于此我们前期建立了体内检测DNA复制偶联的核小体组装技术－ReIN-Map，结合组蛋白修饰eSPAN技术，构成了可以分析新合成DNA子链上核小体组装方法。结果如下：1，我们分析了野生型酵母细胞中“新”、“旧”组蛋白在新合成的DNA子链上的组装模式，发现“新”、“旧”组蛋白在两条子链上是均匀分配的，而且两条链上的核小体组装水平类似。2，筛选了组蛋白分子伴侣FACT的功能分离突变体，发现一条依赖于FACT大亚基Spt16的N端结构域的“旧”组蛋白呈递和在滞后链上的组装途径，该途径经由Mcm2-Ctf4-Pol复制体元件将“旧”组蛋白呈递和在滞后链上的组装。3，发现一条不依赖于FACT大亚基Spt16的N端结构域的“旧”组蛋白呈递和在滞后链上的组装途径，该途径经由RPA将“旧”组蛋白呈递和在滞后链上的组装，该途径在依赖于FACT大亚基Spt16的N端结构域的Mcm2-Ctf4-Pol途径受阻是发挥作用。本项目的完成有助于解释染色质复制和表观遗传信息在细胞分裂时传承机制，对于理解表观遗传信息维持以及生命个体的发育密切相关。