在過去的60年裡，科學家們已經能夠觀察到遺傳信息是如何以及何時被複製的，確定了”複製時間順序”的存在，這是一個控制DNA片段何時以及以何種順序複製的過程。然而，科學家仍然無法解釋為什麼存在這樣一個特定的時間順序。在2021年4月23日發表在《科學》上的一項研究中，David Gilbert博士和他的團隊已經回答了這個困擾科學家60年的問題。

“為什麼細胞會’關心’它們複製DNA的順序？”首席科學家Gilbert博士問。”畢竟–所有細胞都需要復制它們所有的DNA。我們的假設一直是，複製的不僅僅是DNA，還有所有讀取DNA的調節分子也在復制。” Gilbert博士進一步假設，複製時間順序和過程背後可能有一個目的，因為“大自然母親不會浪費這個機會來控制DNA的讀取方式”。

“你複製的時間提供了一個理想的時間，在這個時間選擇是維持所有的調節因素，繼續對DNA中的信息進行相同的功能解釋，還是改變它以引起新的功能，”Gilbert博士解釋說。

在過去的13年裡，Gilbert博士和他的團隊表明，每種類型的細胞都有一個獨特的複制時間順序，而且患病的細胞在該順序中有著明顯的改變。在這項研究中，Gilbert博士和他的團隊研究了”複製時間順序”的變化如何影響DNA與其調節因子的包裝，這些因子統稱為表觀基因組。表觀基因組是被認為控制細胞”身份”的調節因素，以及細胞將執行的功能。

通過消除一種名為RIF1的蛋白質，該蛋白質有助於調節DNA複製，他們發現，複製順序大量、有時幾乎完全消失，因此，在不同的細胞中，染色體的所有片段都在不同的時間進行複制。沒有RIF1，如果細胞被阻止複制DNA，它們的表觀基因組就會很好。然而，一旦DNA開始復制，與DNA相關的調節分子就會被錯誤地納入，並隨著每一輪DNA複製的進行而惡化。最終，染色體的三維折疊也被改變了。

Gilbert博士認為，當表觀基因組被改變複製時間順序而破壞時，細胞可能不再執行其正常功能，或者它們可能執行不適當的功能。這些不適當的功能可能會對一個人的健康產生巨大的負面影響。

Gilbert博士說：”我們和其他人之前已經表明，該順序在許多疾病中被改變了。“我們的實驗室最近顯示了特定的時間改變模式，這些模式在統計學上與小兒白血病的不良結果有關，在另一項研究中與早衰疾病有關。”

因此，複製時間順序計劃提供了一個全新的分子途徑和生物標誌物流派，導致並識別疾病狀態。這可能會導致更早的診斷和對病人更準確的預後。

雖然Gilbert博士的工作已經回答了一個重要的問題，但他並不打算在此停留。“我們認為，表觀基因組……不僅對一個細胞保持其身份至關重要，而且我們假設它對細胞變成其他細胞類型至關重要。”

測試這一假設對於乾細胞研究和乾細胞的治療應用領域至關重要。Gilbert博士目前正在使用人類幹細胞來測試複製時間的中斷如何影響這些細胞發展為肝細胞、心臟細胞和神經元。這項研究的結果將為未來的人類健康和疾病研究提供寶貴的信息。