在真核生物中，染色質蘊藏的豐富表觀遺傳信息能夠在細胞分裂過程中穩定的傳承到子代細胞。親本核小體攜帶的組蛋白翻譯後修飾是表觀遺傳信息的重要組成部分。在DNA複制過程中，複制叉解組裝前方的親本核小體，解離的親本組蛋白會被回收和遞送到子鍊DNA上，完成新生核小體的組裝。染色質領域對于親本組蛋白回收的機制還缺乏直接的證據，現有的研究結果都相對片段化。基于已知的核小體分步組裝模型，推測親本組蛋白的回收機制可能也是分步完成：首先，回收的親本(H3-H4)₂四聚體和新生的子鍊DNA形成核小體前體，其次兩組H2A-H2B二聚體再分别加載到 (H3-H4)₂四聚體的兩側，生成完整核小體。目前已知的具有組蛋白結合活性的複制體組成因子都是選擇性識别H3-H4，這一模型可以較好解釋H3-H4所攜帶表觀遺傳信息的繼承機制，但無法解釋H2A-H2B攜帶的表觀遺傳信息是如何繼承的，這也是困擾領域幾十年的一個重要科學問題。

2024年3月6日，beat365官方网站、北大-清華生命科學聯合中心高甯教授、李晴教授及合作者香港大學翟元梁教授、美國康奈爾大學戴碧瓘教授在Nature雜志最新一期發表題為“Parental histone transfer caught at the replication fork”的論文，對酵母内源複制體進行了結構和機制解析，捕捉到了親本組蛋白回收過程中一個關鍵中間狀态——組蛋白分子伴侶FACT與複制體因子Mcm2、Tof1協作捕獲了解離後的親本組蛋白亞複合物，表明親本組蛋白可能以六聚體[(H3-H4)₂-(H2A-H2B)]的形式回收，為理解複制偶聯的親本組蛋白回收機制以及表觀遺傳信息的傳承基本單元提供了新的視角。

為了捕捉複制叉處親本組蛋白回收的過程，本工作從酵母細胞中純化了内源的複制體複合物，獲得包括FACT、親本組蛋白、複制叉保護複合物在内的複制體複合物，并進行了深入的冷凍電鏡結構分析和分子機制解析（圖1）。在捕獲的複制體複合物中，親本組蛋白以六聚體的形式存在，親本DNA已完全剝離，其中一個H2A-H2B二聚體也已解離。FACT的Spt16亞基和複制體Mcm2亞基的組蛋白結合區域共同協作，以延展的形式、模拟DNA的結合方式纏繞在六聚體的側面，維持了組蛋白亞複合物的穩定性。結構數據清晰的表明這一組蛋白六聚體是親本核小體解組裝之後的一個中間複合物，被複制體所識别和捕獲。此外， Mcm2的N端結構域（NTE）和複制叉保護複合物Tof1亞基緊密互作，在複制叉前端構建了一個組蛋白六聚體的結合平台（圖1），使得六聚體靠近滞後鍊DNA聚合酶的結合區域。基于這一發現，設計了相應的Mcm2和Tof1突變體，采用新生DNA測序eSPAN技術證明幹擾Mcm2-NTE與Tof1的相互作用的确會嚴重影響親代組蛋白回收和遞送至新生滞後鍊DNA。

值得一提的是，這是國際上首次在DNA複制體的框架下展示親本組蛋白回收過程的高分辨分子細節，揭示了FACT、Tof1、Mcm2等在這一過程的分子角色，為“親本組蛋白回收”這一表觀遺傳重要概念提供了堅實的直接實驗證據。更為有趣的是，該工作可能揭示了組蛋白回收的一種新的基本單元——六聚體，暗示着H3-H4以及H2A-H2B的表觀信息在一次的傳遞過程中可以同時被子鍊繼承，為全面揭示DNA複制偶聯的表觀遺傳信息的繼承奠定了重要的基礎。

圖1  酵母内源複制體複合物冷凍電鏡結構

翟元梁教授、高甯教授、李晴教授、戴碧瓘教授為本文的共同通訊作者，北京大學李甯甯研究員、香港大學博士生高原、beat365官方网站博士生張煜婕、香港大學餘大啟博士（之前在香港科技大學）為本文的共同第一作者。香港大學李祥教授、劉楊教授、周钶達教授、林劍威博士、博士生李健、許志純博士，香港科技大學黨尚宇教授、張盈怡博士，北京大學馮建勳博士也參與了這項工作。本研究得到了國家自然科學基金、科技部重點研發計劃、北京高等學校卓越青年科學家計劃項目、香港研究資助局以及北大-清華生命科學聯合中心、膜生物學國家重點實驗室、蛋白與植物基因研究國家重點實驗室的經費支持。香港科技大學生物冷凍電鏡中心、北京大學高性能計算平台對本項目提供了重要的技術支撐，北京大學冷凍電鏡平台、beat365儀器中心及國家蛋白質基礎設施（北大分平台）也為本項目提供了重要幫助。

文章全文：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07152-2