DNA复制促进基因遗传的发生，DNA复制发生的时间次序被称为复制时序（Replication timing，RT programme），根据其动态发生时间可以将基因组织分为早期或者晚期复制区域。复制时序具有细胞特异性，与基因组三维核结构以及表观遗传指纹相关【1-2】。但是复制时序作为基本的表观遗传特征是如何建立以及何时建立的还不得而知。

近日，德国慕尼黑表观遗传学和干细胞研究所Maria-Elena Torres-Padilla研究组在Nature上发表了文章Emergence of replication timing during early mammalian development，通过单细胞Repli-seq产生了小鼠胚胎从受精卵到囊胚阶段的全基因组复制时序图谱，揭开了DNA复制在发育早期从不明确到逐渐明确并与染色质A区室和B区室的加强相一致。同时，作者们也揭示DNA复制与转录、染色质特征标记物的关系，首次刻画了哺乳动物细胞中DNA复制发生的特征。

在S期，基因组只能复制一次。DNA复制起源具有时间确定的顺序，也与染色质可及性、转录活跃特征等表观遗传特征相互关联，但是功能依赖的关系还尚不可知。哺乳动物细胞中没有明确定义的复制起点基因序列，DNA复制在起始区域内40kb区域内包含一个或者多个随机起始位点。但是DNA复制程序最初在哺乳动物细胞中出现的时间尚不清楚。为了揭开这一问题的答案，作者们将单细胞Repli-seq应用在着床前的小鼠胚胎上。作者们共收集529个细胞，包括2-细胞、4-细胞、8-细胞、16-细胞以及桑椹胚时期。

全基因组DNA复制时序分析方法是基于S期不同时间复制基因组区域的定量分析最初的方法使用BrdU脉冲标记新生DNA，然后通过流式细胞分选处于S期的细胞，通过BrdU免疫沉淀分离新合成的DNA，并进行富集分析（图1）【3】。作者们发现2-细胞和4-细胞期细胞DNA复制可变性评分最高，随后逐渐降低，说明DNA复制时序随着胚胎发育的进行而逐渐明确。

图1 DNA复制时序分析

但DNA复制时序与转录之间的关系尚不明确。为此，作者们首先检测了活跃转录组蛋白修饰H3K36me3在胚胎发育中的分布特征，发现H3K36me3从8-细胞期开始逐渐富集在复制时序的峰值处。进一步地，作者们发现DNA复制与转录水平增加相关，尤其是在早期出现高水平复制的基因。随后，作者们通过α-amanitin处理破坏RNA聚合酶II会促进DNA复制停滞在2-细胞期，说明转录也会反过来调节DNA复制时序。另外，作者们检测了沉默染色质特征H3K9me3与DNA复制的关系，发现随着逐渐成熟的DNA复制时序的波谷伴随着H3K9me3增加，而DNA复制增加则伴随着H3K9me3降低。

最后，作者们检测了基因组三维结构与DNA复制时序之间的关系，通过将染色质分为核纤层相关区域LADs和LADs内部区域，发现LADs与DNA早期与晚期复制分区相关。LADs的形成帮助DNA复制动态分布的形成。

总的来说，作者们的工作建立了哺乳动物细胞早期发育过程中DNA复制时序起始图谱，发现从合子以及2-细胞期DNA复制的不明确到逐渐明确，也揭开了转录状态、转录装置以及染色质三维结构对于DNA复制时序建立的影响。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06872-1

参考文献

1. Pope, B. D. et al. Topologically associating domains are stable units of replication-timing regulation. Nature 515, 402-405 (2014).

2. Ryba, T. et al. Replication timing: a fingerprint for cell identity and pluripotency. PloS Comput. Biol. 7, e1002225 (2011).

3. Dileep, V. & Gilbert, D. M. Single-cell replication profiling to measure stochastic variation in mammalian replication timing. Nat. Commun. 9, 427 (2018)