2025年9月18日，孔道春教授为25级新生开展一场题为《Endless Frontiers in the Study of DNA Molecules》的精彩讲座，系统梳理了近年来DNA复制调控与基因组稳定性维持机制方面的突破性发现。孔道春教授以幽默风趣的方式向同学们娓娓道来，使同学们在轻松的氛围中收获满满。
前言
DNA 代谢研究始于 20 世纪 50 年代中期。过去七十年，科学家已阐明 DNA 双螺旋结构、半保留复制、损伤修复及细胞周期检验点等核心机制，为理解遗传信息稳定传递奠定了基础。然而，随着高分辨率成像、单分子操纵及多组学技术的广泛应用，新的科学问题持续涌现：复制起点如何在染色质环境中精准选择？复制叉遭遇转录-复制冲突后如何维持结构完整？同源重组怎样在“修复”与“突变”之间保持平衡？解析上述问题不仅是生命现象的本质追问，也是阐释肿瘤、神经退行性疾病及衰老等重大疾病发生机制的关键。
一、复制起始机制
真核细胞 DNA 复制起始研究在 1992 年迎来重要突破，美国冷泉港 Bruce Stillman 实验室找到了识别 DNA 复制源的蛋白 ——ORC（Origin Recognition Complex）。到了 90 年代中期，确定了真核细胞 DNA 复制起始的核心步骤是 pre - RC（pre - replicative complex）的形成，它形成于细胞周期的 G1 期，且 ORC、Cdc6 和 MCM 是 pre - RC 的组成成分。Cdc6 早在 1973 年由 Leland Hartwell 命名，但其与 DNA 复制相关的生物功能是众多实验室后续研究确定的。MCM（Mini - chromosome maintenance）复合体的亚基在 1984 年由 Bik Tye 通过遗传筛选确定，直至 90 年代后期才被证明是 DNA 复制解旋酶。从 1973 年到 2016 年，历经 43 年确定了 ORC、Cdc6/Cdc18、Cdt1 和 MCM 这四个 pre - RC 的组分。此外，孔道春教授的研究组还证明了 Sap1 是募集 Cdc18（裂殖酵母里 Cdc6 的同源蛋白）到 DNA 复制源上的必需蛋白 ，不断推动着该领域研究的发展。
二、复制叉稳定性
上个世纪 60 年代末，在裂殖酵母中筛选到的 rad3 - 136 突变株对羟基脲高度敏感，由此开启了细胞维持停顿 DNA 复制叉稳定机制的研究。1988 年，Rad3 及相关蛋白介导的细胞调控被命名为 checkpoint 调控，Rad3 属于 ATR 激酶。此后 50 年，上千个实验室发表上万篇文章，证实 checkpoint 是维持停顿 DNA 复制叉稳定的必需细胞调控。然而，确定 checkpoint 调控的靶蛋白困难重重，结论矛盾，导致其维持 DNA 复制叉稳定的核心机制长期未明。
通过大规模遗传筛选，孔道春教授实验室发现复制解旋酶 CMG（Cdc45 - MCM - GINS）复合体的亚基 Cdc45 突变，能大幅降低 checkpoint 通路缺陷细胞对 复制抑制剂羟基尿（HU） 的敏感性，表明 Cdc45 或 CMG 复合体可能受 checkpoint 调控。经一系列遗传及生化分析，证实 Rad3ATR-Cds1Chk2 checkpoint 通路直接调控 DNA 复制解旋酶 CMG 复合体。当 DNA 复制叉停顿时，Cds1Chk2会同时磷酸化 Cdc45 亚基上的三个丝氨酸残基，这三个位点在不同物种中相对保守，磷酸化后导致 CMG 复制解旋酶活性深度降低，使其无法脱离停顿复制叉，维持了与被阻挡 DNA 聚合酶的连接，从而维持了停顿 DNA 复制体及复制叉的生化完整性，阻止了复制叉的垮塌 。
三、DNA 同源重组与染色质结构
早在100年多前，研究人员发现染色体上有非常紧密的区域，并提出了异染色质结构这个概念，但产生组成性异染色质结构的具体分子机制仍有待深入研究。孔道春教授课题组研究发现，当DNA复制叉停顿后，停顿DNA复制叉周围的染色质结构变得更加紧密。研究团队证明组蛋白去乙酰化、H3K9三甲基化等是复制叉停顿诱导的染色质结构变得更加紧密的一个重要方面。进一步研究发现，如果DNA复制叉停顿诱发的紧密染色质结构被破坏，DNA复制解旋酶将离开DNA复制叉，导致复制叉垮塌。研究还发现该调控不受Checkpoint调控影响。因此，本工作发现了一种跟DNA复制检验点（checkpoint）平行的全新细胞调控机制——通过调控核小体，改变组蛋白修饰，在停顿的复制叉周围形成更紧密的染色体结构，从而防止复制叉垮塌、基因突变、细胞死亡或癌变。这一调控机制被命名为“The Chromsfork Control”：Chromatin Compaction Stabilizes Stalling Replication Forks。The Chromsfork Control的发现，将推动对于异染色质结构形成机制的理解，也将极大推动对于细胞如何维持DNA复制叉稳定、保持基因组完整的分子机制理解。此外，孔道春教授还强调了染色质结构对 DNA 同源重组的重要影响。染色质并非是简单、线性的 DNA 缠绕组蛋白的结构，其复杂的高级结构以及动态变化过程，会极大地影响 DNA 同源重组的效率与准确性。
四、总结
孔道春老师丰富的学术经历使他在真核细胞 DNA 复制起始、复制叉稳定、DNA 同源重组、染色质结构形成等多个重要生物事件的分子机制研究上，有着独特而深刻的见解。这场讲座不仅让我们对 DNA 复制机制有了更深入的认识，也感受到了孔道春教授在科研道路上的执着与热情。值得一提的是，孔道春教授强调 “直觉” 在科研中的重要性，凭借多年科研经验积累的直觉，往往能为实验设计提供关键思路。
