2月10日，國際學術(shù)期刊Nature Communications在線發(fā)表了中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心(生物化學與細胞生物學研究所)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，并利用其對基因組進行3D建模，揭示了染色體融合后染色體的移動是平行于核周的，以保證基因組A/B區(qū)室和表達譜的穩(wěn)定分布。此外，通過對自然界獲得的染色體融合小鼠進行分析，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。

在哺乳動物細胞核內(nèi)，來源于不同染色體的線性DNA大分子會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)的進步，如多染色體FISH和Hi-C技術(shù)的迭代，學界對核內(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，李勁松研究組報道了利用類精子干細胞介導(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)。該研究也為哺乳動物進行染色體結(jié)構(gòu)的改造、動物新核型亞種的創(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，研究團隊希望通過對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，來進一步解釋染色體是如何才能形成穩(wěn)定而又靈活的高級結(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性，這也就導(dǎo)致多染色體FISH，單細胞Hi-C和bulk Hi-C的應(yīng)用都有一定的局限性。因此，李勁松團隊開發(fā)了將bulk Hi-C數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為具有一定單細胞特質(zhì)的Genome Khimaira Matrix (K-matrix)的算法。通過與bulk Hi-C和單細胞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，又具備一定的單細胞Hi-C異質(zhì)性。進一步利用Khimaira Matrix對基因組進行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，通過計算基因組3D模型中染色體之間的距離，研究團隊發(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性這一觀點。其次，團隊又開發(fā)了分層解析算法對核內(nèi)染色體的輻射分布進行計算，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)致進行融合的染色體是平行于核周而移動的，而非垂直于核周，進而使得基因組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，團隊也發(fā)現(xiàn)染色體融合對不同細胞類型的影響不同，可能是由于不同細胞類型具有不同的基因組結(jié)構(gòu)造成的。

更進一步對多染色體融合細胞系進行基因組結(jié)構(gòu)建模，團隊發(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。與實驗室得到的染色體融合小鼠不同，團隊最后發(fā)現(xiàn)在自然界獲得的染色體融合小鼠的成纖維細胞中，第6和第18染色體在核內(nèi)的分布上與對照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)變化會被逐漸的積累和保存下來。

分子細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。該項研究得到了基因組標簽計劃、國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、上海市科學技術(shù)重大專項和上海市科學技術(shù)委員會基礎(chǔ)研究重大專項的資助，以及分子細胞卓越中心分子生物學技術(shù)平臺、細胞分析技術(shù)平臺和動物實驗技術(shù)平臺的幫助與支持。

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在融合細胞R1n13的模型中相互接近，以及表達譜和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