2月10日，國際學(xué)術(shù)期刊Nature Communications在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心(生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所)李勁松研究組的最新研究成果: “Visualization of chromosomal reorganization induced by heterologous fusions in the mammalian nucleus”。研究人員通過將bulk Hi-C數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Khimaira Matrix，并利用其對(duì)基因組進(jìn)行3D建模，揭示了染色體融合后染色體的移動(dòng)是平行于核周的，以保證基因組A/B區(qū)室和表達(dá)譜的穩(wěn)定分布。此外，通過對(duì)自然界獲得的染色體融合小鼠進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了由染色體融合帶來的基因組結(jié)構(gòu)變化能夠在自然選擇的條件下被逐漸積累。

在哺乳動(dòng)物細(xì)胞核內(nèi)，來源于不同染色體的線性DNA大分子會(huì)通過折疊形成染色體結(jié)構(gòu)域（chromosome territories），并在核內(nèi)占據(jù)特定的位置。闡明核內(nèi)染色體的結(jié)構(gòu)與分布對(duì)理解其功能至關(guān)重要，這些功能包括DNA修飾與修復(fù)，以及基因轉(zhuǎn)錄活性的調(diào)控。近年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，如多染色體FISH和Hi-C技術(shù)的迭代，學(xué)界對(duì)核內(nèi)基因組結(jié)構(gòu)的理解顯著提升。但是仍有很多十分關(guān)鍵的問題尚未得到解決，其中之一就是核內(nèi)的基因組結(jié)構(gòu)是如何分布和形成的，以及基因組結(jié)構(gòu)是如何行使其功能的。

早在2022年，李勁松研究組報(bào)道了利用類精子干細(xì)胞介導(dǎo)半克隆技術(shù)，通過CRISPR/Cas9靶向染色體重復(fù)序列實(shí)現(xiàn)小鼠染色體融合改造，建立全新的穩(wěn)定傳遞的染色體改造純和小鼠品系，揭示了染色體融合的機(jī)制，并提示真核生物基因組組裝的系統(tǒng)穩(wěn)健性（Robustness）是染色體演化的重要基礎(chǔ)。該研究也為哺乳動(dòng)物進(jìn)行染色體結(jié)構(gòu)的改造、動(dòng)物新核型亞種的創(chuàng)造以及染色體結(jié)構(gòu)變異疾病的模擬提供了可行的技術(shù)路線，開啟了以小鼠為代表的哺乳動(dòng)物染色體遺傳改造的新領(lǐng)域。

基于上述成果，在這次的研究過程中，研究團(tuán)隊(duì)希望通過對(duì)染色體融合后基因組結(jié)構(gòu)的變化，尤其是染色體核內(nèi)的空間分布，來進(jìn)一步解釋染色體是如何才能形成穩(wěn)定而又靈活的高級(jí)結(jié)構(gòu)。然而，目前的研究表明染色體在核內(nèi)的分布呈一定的非隨機(jī)性，這也就導(dǎo)致多染色體FISH，單細(xì)胞Hi-C和bulk Hi-C的應(yīng)用都有一定的局限性。因此，李勁松團(tuán)隊(duì)開發(fā)了將bulk Hi-C數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為具有一定單細(xì)胞特質(zhì)的Genome Khimaira Matrix (K-matrix)的算法。通過與bulk Hi-C和單細(xì)胞Hi-C數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析表明，Khimaira Matrix既能夠保持與bulk Hi-C的高度相似性，又具備一定的單細(xì)胞Hi-C異質(zhì)性。進(jìn)一步利用Khimaira Matrix對(duì)基因組進(jìn)行3D建模，他們發(fā)現(xiàn)這些模型都能夠很好地展示出融合染色體之間的相互靠近，以及A/B區(qū)室在核內(nèi)的輻射分布。

基于此，通過計(jì)算基因組3D模型中染色體之間的距離，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)染色體融合僅能夠使得核內(nèi)部分染色體之間的距離發(fā)生變化，主要是發(fā)生在融合的染色體與未發(fā)生融合的染色體之間。而未發(fā)生融合的染色體之間則保持很高的穩(wěn)定性。這些結(jié)果都支持了核內(nèi)染色體在核內(nèi)分布呈一定的非隨機(jī)性這一觀點(diǎn)。其次，團(tuán)隊(duì)又開發(fā)了分層解析算法對(duì)核內(nèi)染色體的輻射分布進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明染色體在融合后并不影響染色體的輻射分布。這也就反應(yīng)出染色體融合導(dǎo)致進(jìn)行融合的染色體是平行于核周而移動(dòng)的，而非垂直于核周，進(jìn)而使得基因組A/B區(qū)室和轉(zhuǎn)錄組的分布能夠在染色體融合后保持穩(wěn)定。除此之外，團(tuán)隊(duì)也發(fā)現(xiàn)染色體融合對(duì)不同細(xì)胞類型的影響不同，可能是由于不同細(xì)胞類型具有不同的基因組結(jié)構(gòu)造成的。

更進(jìn)一步對(duì)多染色體融合細(xì)胞系進(jìn)行基因組結(jié)構(gòu)建模，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)其算法能夠有效的展示出所有融合事件，并且染色體之間距離的改變也大多發(fā)生在融合染色體和非融合染色體之間。但是，盡管隨著染色體融合數(shù)目的增加，差異基因的數(shù)目也有一定的增加，但是A/B區(qū)室和轉(zhuǎn)錄組的輻射狀分布仍然得以很好的保持。與實(shí)驗(yàn)室得到的染色體融合小鼠不同，團(tuán)隊(duì)最后發(fā)現(xiàn)在自然界獲得的染色體融合小鼠的成纖維細(xì)胞中，第6和第18染色體在核內(nèi)的分布上與對(duì)照C57有較大差異，這也就表明在自然選擇的過程中，由染色體融合帶來的基因組結(jié)構(gòu)變化會(huì)被逐漸的積累和保存下來。

分子細(xì)胞卓越中心晏萌博士和張曉宇博士為該文共同第一作者。分子細(xì)胞卓越中心晏萌博士和李勁松研究員為該論文的共同通訊作者。該項(xiàng)研究得到了基因組標(biāo)簽計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、上海市科學(xué)技術(shù)重大專項(xiàng)和上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)基礎(chǔ)研究重大專項(xiàng)的資助，以及分子細(xì)胞卓越中心分子生物學(xué)技術(shù)平臺(tái)、細(xì)胞分析技術(shù)平臺(tái)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)的幫助與支持。

染色體融合后染色體在核內(nèi)位置的改變

a， K-matrix方法圖示；b，chr1和chr13在融合細(xì)胞R1n13的模型中相互接近，以及表達(dá)譜和A/B區(qū)室的分布；c，分層解析算法圖示；d，在R1n13中，染色體在融合后并未發(fā)生明顯變化，而在T45中觀察到融合染色體的極性定位發(fā)生一定改變。

文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55582-3