在真核生物中，DNA复制发生在染色质环境中，对于基因和表观遗传信息的遗传至关重要。在DNA复制过程中，前导链DNA是连续复制的，而滞后链DNA以离散的片段形式合成，这些片段被称为冈崎片段（Okazaki Fragments，OFs）。OFs的快速和高效合成在每次细胞分裂期间发生约10万次。因此，OFs的准确处理对于DNA复制和基因组完整性至关重要。
OFs的合成包括一系列协调事件，涉及Pol δ（DNA聚合酶δ）的链置换活动和多种核酸酶的消化作用。然而，这些过程与真核生物中核小体重组过程之间的联系仍然不明确。核小体的组装必须与DNA复制紧密耦合，以确保在复制叉（Replication Fork，RF）之后，核小体结构能够立即在新生DNA上重新组装。之前的研究表明，冈崎片段与核小体长度相对应，这意味着在DNA复制过程中，核小体对冈崎片段的处理有显著影响。然而，这种处理与核小体重组的机制联系尚待深入研究。
近日，北京大学生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心李晴课题组在Science Advances发表题为DNA polymerase δ subunit Pol32 binds histone H3-H4 and couples nucleosome assembly with Okazaki fragment processing的研究论文，研究人员巧妙利用DNA连接酶降解体系，应用电镜核酸技术观察酵母细胞中DNA复制叉中间体结构，发现核小体中组蛋白和DNA的相互作用决定了链置换的位置，而且DNA聚合酶δ的Pol32亚基在C端有一个组蛋白H3-H4的结合区域，可以直接贡献于后随链上的核小体组装，揭示了后随链上DNA合成和核小体组装的协同机制。
文章要点
1）OFs的结构特征：使用透射电子显微镜和DNA连接酶Cdc9的快速降解技术，观察到滞后链上的翼状结构积累，显示出由Pol δ的链置换活动和Fen1核酸酶消化控制的翼状结构之间的间距具有规律性，反映了成熟OF的长度。
图1 Cdc9耗竭导致滞后链上flap结构结构的积累
2）Pol32在OFs处理中的作用：通过基因突变实验，发现Pol32亚基的缺失显著增加了相邻flap结构之间的距离。Pol32能够直接与组蛋白H3-H4结合，是滞后链上核小体组装的关键。
图2 Pol δ链位移活性和Fen1影响flap长度
3）Pol32与核小体组装的耦合：Pol32通过与组蛋白H3-H4的直接结合，促进了滞后链上的核小体组装。Pol32的缺失导致滞后链上核小体占有率的显著减少，表明Pol32在连接DNA复制与染色质组装中起到关键作用。
4）Flap结构的分布与核小体的关系：研究表明，flap结构的长度与核小体组装密切相关，尤其是在Pol32缺失的背景下，flap结构的长度显著增加，表明Pol32在核小体组装和冈崎片段长度控制中的重要作用。
图3 需要Pol32来保持flap间的距离
5）核小体组装对OF成熟长度的影响：通过对突变体的分析，研究发现新合成的组蛋白沉积和亲本组蛋白转移路径上的核小体组装水平对OFs的成熟长度有显著影响。Pol32缺失导致滞后链上的核小体占有率减少，进而增加了OF的大小。
图4 在pol32Δ突变细胞中，新生染色质上的核小体组装减少
该研究揭示了Pol32亚基在DNA聚合酶δ复合物中通过直接结合组蛋白H3-H4，促进滞后链上核小体组装的机制。这一发现提供了关于DNA复制与染色质组装如何耦合的新见解，特别是在冈崎片段的成熟和核小体组装的调控中。Pol32的这一功能对理解真核生物中的基因组稳定性和表观遗传信息的传递具有重要意义。
Shi, Guojun et al. “DNA polymerase δ subunit Pol32 binds histone H3-H4 and couples nucleosome assembly with Okazaki fragment processing.” Science advances vol. 10,32 (2024): eado1739. doi:10.1126/sciadv.ado1739
