一项重大的突破挑战了关于DNA复制的长期信念。这项研究表明，在早期胚胎发育过程中DNA复制与之前的理解不同，并涉及一个不稳定的阶段，这增加了染色体复制错误的风险。由于染色体异常通常与流产和发育问题有关，这些发现可能会在生殖医学中产生重大影响，可能导致体外受精（IVF）实践的改善。
日本RIKEN生物系统动态中心（BDR）的科学家们的一项开创性研究挑战了关于DNA复制的既定观念。由平谷市郎及其团队主导的这项研究于8月28日在《自然》杂志上发表，表明早期胚胎中的DNA复制与传统观点不同，并包括一个以不稳定性和易感性为特征的时期，导致染色体复制错误。鉴于染色体异常常常导致流产和发育障碍，这些见解可能会使生殖医学领域的方法重新定义，可能会增强体外受精（IVF）技术。
在胚胎发育过程中，受精卵反复分裂，每一批新的子细胞也会分裂。在受精后第三天，胚胎完成了三次分裂，形成了16个细胞。每次分裂都伴随着DNA的复制，确保每个子细胞都能遗传一份完整的基因组。在他们的研究中，RIKEN BDR团队旨在识别早期胚胎中DNA复制的特征。他们利用了一种创新的单细胞基因组学方法，称为scRepli-seq，并将其应用于发育中的小鼠胚胎。这项技术使他们能够在复制过程中不同时间点捕捉单细胞的DNA快照。他们的发现与之前关于胚胎中DNA复制的科学信念相矛盾。
“我们发现了几种在早期小鼠胚胎发生过程中以前未见过的特化DNA复制形式，”平谷市郎解释道。“我们还注意到，在某些阶段，基因组DNA经历暂时的不稳定，导致染色体畸变增多。”
传统上，人们认为DNA不会同时复制。相反，染色体的特定区域是按照特定顺序复制的。团队的初步发现是，成熟细胞中的复制时间域直到胚胎达到4细胞阶段后才会发育。因此，在1细胞和2细胞胚胎中，DNA是均匀复制的，而不是顺序复制的，这使它们与其它体细胞区分开来。
随着染色体的一段解开以进行复制，它形成了一个类似于道路分叉的结构。为了使复制继续推进，分叉必须沿着DNA链移动，重新连接已复制的区域并解开下一部分。研究的第二个关键发现是，在1细胞、2细胞和4细胞阶段，分叉的速度明显比胚胎发育的8细胞阶段之后慢。因此，4细胞胚胎被视为一个过渡点，其中均匀DNA复制转变为顺序过程，同时仍表现出典型于1细胞和2细胞胚胎的缓慢分叉运动。相反，8细胞胚胎的复制更类似于成熟细胞，展示了顺序复制和更快的分叉移动。
在受精后的最初几天，DNA复制中的错误可能导致染色体不规则性，例如多余或缺失的拷贝、断裂或不完整的拷贝。一些复制错误导致流产，而其他一些与发育障碍（如唐氏综合症，也称为21三体综合症）有关。团队的第三个关键发现是，在早期胚胎中，染色体复制错误的发生率在4细胞阶段暂时升高。
研究人员再次使用scRepli-seq，试图识别染色体拷贝数异常。他们观察到在1细胞和2细胞阶段或在8细胞和16细胞阶段之间的过渡期中，错误非常少。然而，在4细胞和8细胞阶段的转换中，大约13%的细胞表现出染色体异常，这可能源于4细胞阶段的复制错误。额外的测试表明，这些错误与该阶段缓慢移动的复制分叉有关。
“我们的发现提出了许多新的问题，”平谷市郎表示。“例如，这些现象在其他物种（包括人类）中是否在进化上得以保留？而且，染色体异常的细胞之后会发生什么？”这一发现，除了指导未来的基础研究外，还有潜力帮助生育诊所制定更有效的策略，以减少受精后初期常见的染色体异常。
