引言

我们通常把DNA复制(DNA replication)理解成一个高度准确的“复制”过程：一条染色体复制成两条DNA序列几乎完全相同的姐妹染色单体(sister chromatids)，随后它们彼此黏连，等待细胞分裂时被准确分配。

但“序列相同”，是否意味着它们在三维空间中也彼此对齐?

近日，《Science》的研究报道“Conformational asymmetry of replicated human chromosomes”，研究人员给出的答案出人意料：复制完成后，两条姐妹染色单体并不是沿基因组坐标完全一一对齐，而是在全基因组范围内存在具有固定方向的相对错位(register shift)。

更有意思的是，这种错位并非随机噪声。它似乎保留着DNA复制过程本身留下的“方向信息”。

DNA序列一样，为什么空间结构还会不一样?

要理解这项研究，首先要区分“复制结果的对称”与“复制过程的不对称”。

按照半保留复制(semiconservative replication)机制，每条新的姐妹染色单体都由一条亲代DNA链和一条新合成链组成。从最终碱基序列看，两条姐妹染色单体基本相同。

但复制叉(replication fork)的工作方式却并不对称。

DNA聚合酶只能沿特定方向合成DNA，因此一侧形成连续合成的前导链(leading strand)，另一侧形成以冈崎片段方式合成的后随链(lagging strand)。负责解旋的CDC45-MCM-GINS复合物(CMG helicase)以及前导链、后随链使用的复制机器也并不相同。

复制叉尺度上的这种分子不对称，会不会被“放大”，最终变成染色体三维结构上的不对称?

这正是这项研究试图回答的问题。

一个过去可能被Hi-C“平均掉”的信号

研究人员首先使用姐妹染色单体敏感染色体构象捕获技术(sister chromatid-sensitive chromosome conformation capture，scsHi-C)。

普通Hi-C能够告诉我们基因组中哪些区域彼此靠近，却很难区分一对姐妹染色单体中究竟是哪一条DNA参与了接触。scsHi-C则利用4-硫代胸苷(4-thiothymidine，4sT)标记新合成DNA，再通过特征性的T→C以及互补链A→G信号，判断DNA片段来自哪条姐妹染色单体。

这样，研究人员不仅能够分析一条姐妹染色单体内部的接触(cis-sister contact)，还能够判断两条姐妹染色单体之间的接触(trans-sister contact)。

先看一个看似“平淡”的结果。

研究人员获得的每条姐妹染色单体接触图包含约900万对基因组距离超过10 kb的相互作用。比较两条姐妹染色单体后发现，无论是接触概率随基因组距离变化的P(s)曲线，还是CTCF相关的染色质环结构，两者都高度相似。

如果分别看两条姐妹染色单体各自怎样折叠，它们非常相似。

变化藏在另一个地方——两条姐妹染色单体彼此之间是否准确“对号入座”。

传统分析常把两个方向的跨姐妹染色单体接触合并。如果这样处理，一个方向增加、另一个方向减少，两者就可能相互抵消。

研究人员没有把它们合并，而是保留了两个接触位点的基因组先后顺序。

就是这一步，让一个此前被隐藏的信号出现了。

约2倍的方向偏好，以及120 nm的空间错位

研究人员把两类方向相反的姐妹染色单体接触分别记为“1<2”和“2<1”。

结果发现，从大约100 kb到10 Mb的基因组尺度上，“1<2”接触持续富集。野生型G2期细胞中，这种不对称在约1.06 Mb附近达到最大，两个方向接触频率的比值约为2.1倍，其95%置信区间为2.068～2.136。

这不是少数染色体区域造成的现象。

研究人员以100 kb为单位计算全基因组“不对称评分”，结果超过97%的基因组区段评分为正，中位数约为1。由于该评分本质上是两个方向接触频率比值的log₂转换，中位数接近1意味着两个方向之间大约存在2倍差异。

也就是说，这种方向性不是偶然出现几个热点，而是广泛存在于基因组中。

但Hi-C检测的是“接触概率”。接触概率不对称，是否一定意味着两条DNA在物理空间中真的发生了错位?

研究人员又使用了姐妹染色单体特异性的RASER-FISH(resolution after single-strand exonuclease resection FISH)进行独立验证。

他们选择染色体2和染色体8上的三组位点，每组两个位点的基因组距离约为1 Mb，每组分析约70～90个细胞。

三组位点得到了一致结果：代表“1<2”方向的两个姐妹染色单体位点之间，空间距离平均比相反方向短约120 nm，差异均具有统计学显著性。

姐妹染色单体确实存在物理上的方向性错位。

把染色单体“拴”在一起的cohesin，才是关键

接下来出现了更有意思的问题：谁在维持这种错位?

答案指向黏连蛋白复合体(cohesin)。

cohesin至少承担两类不同工作。一类是挤出型cohesin(extrusive cohesin)，通过DNA环挤出(loop extrusion)参与拓扑关联结构域(topologically associating domain，TAD)等高级染色质结构的形成;另一类是黏连型cohesin(cohesive cohesin)，负责把两条姐妹染色单体连接在一起。

研究人员首先去除NIPBL，使cohesin的环挤出功能显著下降。

如果姐妹染色单体错位来自环挤出，那么这种不对称应该随之消失。

结果恰恰相反。

虽然染色质环相关结构明显减少，但姐妹染色单体的方向性错位依然存在。在NIPBL缺失条件下，不对称峰移动到约376 kb，两个方向接触频率之比的95%置信区间甚至达到2.247～2.313。

环挤出会改变姐妹染色单体之间接触出现的位置和尺度，但并不是方向性错位存在的必要条件。

随后，研究人员把目标转向黏连型cohesin。

当Sororin被去除、姐妹染色单体之间的稳定黏连受到破坏后，方向性差异明显减弱;而且RASER-FISH也不再能够检测到两个方向之间显著的空间距离差异。

在前中期(prometaphase)，当染色体上的大部分cohesin被移除后，两个方向趋于对称;直接去除cohesin核心成分RAD21，同样使这种不对称大幅下降。

因此，证据链逐渐清晰：

姐妹染色单体的方向性错位依赖的是负责“连接姐妹”的cohesin，而不是负责制造染色质环的cohesin。

只偏约100 kb，为什么能够影响到Mb尺度?

这里出现了一个尺度上的疑问。

实验观察到的是数百kb到Mb范围的接触不对称，难道cohesin需要把两条染色单体错开几百kb甚至1 Mb?

聚合物模拟(polymer simulation)给出的答案是否定的。

研究人员把两条姐妹染色单体模拟成柔性聚合物链，再用cohesin连接两条链。结果发现，完全对齐的cohesin无法产生实验观察到的方向性差异;如果所有cohesin都机械地偏移固定的300 kb，同样不能很好复制真实数据。

更符合实验数据的是一种“有方向偏好，但同时存在随机波动”的模式。

最佳模型中，方向性偏移的平均尺度只有约100 kb，同时叠加标准差约150 kb的随机位移;相邻cohesin之间的平均距离也约为100 kb。

这些局部连接点只有大约100 kb级别的系统性偏差，却足以让两条染色单体之间的接触不对称扩展到Mb尺度。

这是这项研究一个值得关注的物理学含义：

大尺度染色体结构的不对称，并不一定需要一个大尺度的驱动力;大量具有微小方向偏好的局部连接，就可能累积成全基因组可检测的结构特征。

复制叉如何把“不对称”写进染色体?

还有一个看似矛盾的问题。

一个复制起始位点(replication origin)会产生两个向相反方向前进的复制叉。如果局部错位由复制叉造成，为什么最终不会一半向左、一半向右，相互抵消?

关键在于前导链和后随链的几何关系。

两个复制叉虽然朝相反方向运动，但前导链和后随链的配置也是镜像翻转的。因此，相对于各自继承的亲代DNA链而言，复制叉产生的偏移可以保持相同的5′→3′方向。

研究人员由此提出了两个机制模型。

一种可能是错位在DNA复制过程中形成：cohesin与复制机器发生相互作用后，两条新生DNA通过cohesin的方式并不完全对称，随着复制叉前进，两个连接点逐渐产生位置差。

另一种可能是复制完成之后形成：部分cohesin的一侧被固定在一条姐妹染色单体上，另一侧仍然能够沿另一条染色单体滑动。相邻cohesin之间受到空间限制后，逐渐产生具有方向偏好的位移。

两个模型都能够较好解释现有数据，而且都预测复制起始较稀疏的区域应该出现更明显的错位。研究人员在实际数据中也观察到了这一趋势。

但这里需要注意：

目前的实验还不能区分这两个机制究竟哪个发生在细胞中。

要解决这个问题，需要直接观察DNA正在复制时的染色质构象，而不是只观察复制完成后的结果。

这项发现为什么值得DNA修复领域关注?

120 nm看起来并不大，但放在DNA双链断裂修复的背景下，意义可能完全不同。

同源定向修复(homology-directed repair，HDR)需要利用姐妹染色单体上的同源序列作为模板。当DNA发生断裂后，受损位点需要完成同源性搜索(homology search)，找到正确模板。

过去我们更容易把姐妹染色单体想象成基本对齐的两份DNA，因此默认“相同基因组坐标”应该彼此靠近。

这项研究提示，现实可能更加复杂。

同源位点不仅可以在空间中相距数百纳米，而且这种距离具有方向性偏好。因此，DNA断裂后的同源序列搜索可能并不是一个完全各向同性的过程。

研究人员进一步提出，方向性错位可能影响DNA修复准确性、染色体易位(translocation)模式，尤其是在复制压力(replication stress)条件下。

但需要特别强调：这些属于该研究提出的生物学假设，目前研究并没有直接证明姐妹染色单体错位会改变DNA修复结果。

类似地，这种错位是否会减少两条姐妹染色单体之间不恰当的增强子-启动子相互作用，进而影响基因调控，也仍然属于值得验证的问题。

值得关注的，可能不是“偏了多少”

这项研究很容易被浓缩成一句话：“姐妹染色单体错开了约120 nm。”

但如果只记住这个数字，反而容易错过它更重要的意义。

研究使用的主要模型是HeLa Kyoto细胞;RASER-FISH虽然提供了独立的空间验证，但只检测了三组基因组位点。更重要的是，聚合物模型只是证明某些cohesin排列方式足以产生实验观察到的现象，并不能证明细胞一定采用了其中某一种具体机制。对于正常二倍体细胞、不同组织、不同细胞周期状态，这种错位是否具有同样幅度，也需要进一步验证。

因此，这项研究最值得关注的并不是120 nm，也不是某一个cohesin参数。

它提出了一个更深层的问题：

DNA复制留下的信息，可能并不会在复制结束后立即消失。

前导链与后随链的差异原本发生在纳米尺度的复制叉上，但这种方向性可能通过cohesin被保留下来，进一步影响数百kb乃至Mb尺度的染色体空间组织。

如果这一机制最终能够在更多细胞类型中得到验证，那么我们对“姐妹染色单体”的理解可能需要多增加一层：它们不仅是两份序列相同的DNA，也可能携带着不同的复制历史和空间信息。

接下来更值得关注的是：当复制压力增加、cohesin功能异常，或者DNA修复系统发生改变时，这种方向性结构会被放大、削弱，还是重新排列?

这个问题，可能比“姐妹染色单体为什么没有完全对齐”走得更远。