2021年11月25日吕嘀，Nature Communications在線發(fā)表了西北工業(yè)大學生態(tài)環(huán)境學院聯(lián)合中科院動物研究所等合作完成的題為“Molecular mechanisms and topological consequences of drastic chromosomal rearrangements of muntjac deer”的研究性文章焰坪。該研究組裝了具有祖先核型的獐（Hydropotes inermis不皆，2n=70），小麂（Muntiacus reevesi代赁，2n=46）掩宜，雌性和雄性黑麂（Muntiacus crinifrons戚扳，2n=8/9）的染色體水平基因組旦事，以及貢山麂（Muntiacus gongshanensis魁巩，2n = 8/9）的草圖基因組，并結合三維基因組的Hi-C數(shù)據(jù)姐浮，深入研究了麂屬物種染色體進化的分子機制谷遂，揭示了劇烈的染色體進化對三維染色質(zhì)結構的影響，并為麂屬動物的早期進化提供了深入的見解卖鲤。

背景

麂屬動物是鯨偶蹄目肾扰、反芻亞目、鹿科扫尖、麂亞科下的一類哺乳動物白对，屬內(nèi)各物種間染色體數(shù)目差異巨大掠廓，是研究哺乳動物成種機制和染色體演化的理想模型换怖，從而受到了廣泛關注。赤麂（Muntiacus muntjak vaginalis）是迄今發(fā)現(xiàn)的染色體數(shù)目最少的哺乳動物蟀瞧，雌性僅有6條染色體沉颂，雄性7條染色體。黑麂和貢山麂都有8條（雌性）和9條（雄性）染色體悦污，但是它們的核型卻不相同铸屉。小麂與人類一樣，有46條染色體切端。之前的研究發(fā)現(xiàn)麂屬動物多變的染色體數(shù)目和核型是由鹿科祖先染色體（2n=70）反復串聯(lián)融合而來彻坛，但反復串聯(lián)融合的分子機制尚不清楚。此外，由于常染色體和性染色體發(fā)生融合昌屉，伴隨倒位等染色體變異事件钙蒙，黑麂演化出一對新性染色體（neo-sex chromosomes），這是哺乳動物中迄今發(fā)現(xiàn)的最年輕的新性染色體间驮，使其成為研究哺乳動物性染色體演化的重要模型躬厌。

結果

1. 麂屬的系統(tǒng)發(fā)育、歷史種群變化和染色體融合

本研究采用長reads和短reads測序數(shù)據(jù)并結合Hi-C數(shù)據(jù)組裝了獐竞帽、小麂扛施、雌性和雄性黑麂的染色體水平基因組，以及contigs水平的貢山麂基因組屹篓，并聯(lián)合已發(fā)表的赤麂基因組信息疙渣，基于基因組的四倍兼并位點（4dTV）和線粒體基因組重建了麂屬的系統(tǒng)發(fā)育關系（圖1a）。通過分化時間的估算堆巧，研究發(fā)現(xiàn)赤麂和黑麂昌阿、貢山麂大約在1-2百萬年前發(fā)生分化，而黑麂和貢山麂在1.44百萬年前發(fā)生分化（圖1a）恳邀。種群歷史動態(tài)分析發(fā)現(xiàn)黑麂懦冰、赤麂和貢山麂在聶聶雄拉冰期期間種群數(shù)量明顯降低，而同時期小麂種群數(shù)量沒有下降谣沸，研究推測由冰期引發(fā)的遺傳漂變和地理隔離加速了麂屬物種染色體融合的固定（圖1b,c）刷钢。

通過全基因組比對分析也進一步證實了染色體融合是導致麂屬染色體數(shù)目在種間劇烈變化的主要重排類型（圖1d）。串聯(lián)融合定義為一條祖先染色體的頂端著絲粒與另一條祖先染色體的遠端端粒連接乳附，羅伯遜融合定義為連接了兩個祖先染色體的頂端著絲粒内地。根據(jù)著絲粒的位置和染色體的同源性，本研究在雌性黑麂中識別出來自祖先核型的28個串聯(lián)融合和3個羅伯遜融合赋除，并確定了這31個融合事件沿系統(tǒng)發(fā)育樹的發(fā)生順序（圖1a,d）阱缓。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)雌性黑麂與小麂举农、獐相比荆针，序列一致性在90%以上，這表明颁糟，麂屬物種的快速核型進化并不伴隨著基因組序列的快速進化航背。

2. 麂屬染色體融合對三維染色質(zhì)結構的影響

為了探究染色體融合對麂屬動物三維染色質(zhì)結構的影響，本研究使用獐棱貌、小麂玖媚、雄性和雌性黑麂的血液樣品進行Hi-C測序。在100kb分辨率下婚脱，識別出各物種的A/B區(qū)室今魔，將雌性黑麂與雄性黑麂勺像、小麂、獐兩兩進行比較發(fā)現(xiàn)雌性黑麂中有90%的基因組區(qū)域沒有發(fā)生區(qū)室變化错森，說明染色體融合對區(qū)室的影響較杏缴尽（圖2a）。

在40kb分辨率下问词，識別出各物種的拓撲關聯(lián)結構域（TADs）督函。通過比較雌性黑麂與其他物種的TADs，發(fā)現(xiàn)雌性黑麂和雄性黑麂激挪、小麂辰狡、獐的TADs分別大約有72.5%_{72.7%、63.7%}65.4%垄分、43.3%~49.2%是保守的（圖2b）宛篇，這說明隨著分化時間的增加，不同物種間TADs的保守性降低薄湿。此外叫倍，本文進一步獲得了316個黑麂特有的TADs，通過分析這些TADs中的bins與最近融合位點之間的距離時發(fā)現(xiàn)這些bins幾乎均勻分布在染色體上豺瘤，且不在融合位點附近富集（圖2b）吆倦，表明染色體融合對TADs的影響也很小。

在20kb分辨率下坐求，本文分析了不同麂屬物種之間的顯著相互作用蚕泽，發(fā)現(xiàn)與小麂相比，雌性黑麂中幾乎所有跨越融合位點間的顯著相互作用都是新建立的桥嗤，而沒有跨越融合位點的顯著相互作用只有44.43%是特有的（圖2c）须妻，這說明染色體融合可能是這些新的顯著相互作用的主要驅(qū)動因素。同時本研究還發(fā)現(xiàn)雌性黑麂中的顯著相互作用大多數(shù)僅跨越一個融合位點（圖2d）泛领，這些顯著相互作用的數(shù)量與融合位點的年齡呈正相關（圖2e）荒吏，并且在互作矩陣熱圖中也可以直接看到類似的關系（圖2f），例如在最古老的融合位點上的互作頻率和基因組其他區(qū)域相同渊鞋。

總的來說绰更，染色體融合事件對區(qū)室和TADs的影響較小，但它們可以導致新的顯著相互作用的產(chǎn)生篓像，從而連接遠端基因組位點或跨融合位點动知，這可能在麂屬的進化和適應過程中具有細胞和形態(tài)學意義皿伺。

3. 麂屬染色體融合的分子機制

為了分析麂屬染色體融合可能的分子機制员辩，本研究提出了兩種假設：1）某些麂屬特異性重復序列通過非等位同源重組介導了串聯(lián)融合；2）調(diào)控基因組穩(wěn)定性的相關基因突變可能促進麂屬染色體的快速進化鸵鸥。之前的研究發(fā)現(xiàn)奠滑，頂端端粒丹皱、衛(wèi)星II (satII)、衛(wèi)星IV (satIV)和衛(wèi)星I (satI)重復序列依次排列在小麂染色體的端粒區(qū)宋税，并且在赤麂中少數(shù)融合位點上satI和端粒重復序列相鄰摊崭。因此為了檢驗假設一，本文首先比較了小麂杰赛、黑麂和貢山麂以及近緣物種麋鹿（Elaphurus davidianus呢簸， 2n=68）中同時包含satI和端粒重復序列（satI-telomere）的三代reads，發(fā)現(xiàn)在黑麂和貢山麂中大多數(shù)的satI-telomere是相鄰的乏屯，而在小麂和麋鹿中大多數(shù)的satI-telomere距離較遠（圖3a）根时。為了探明這種現(xiàn)象的原因，本文比較了包含三種不同衛(wèi)星序列和端粒序列的三代reads隨端粒序列長度的密度分布辰晕，發(fā)現(xiàn)在包含相鄰satI-telomere的reads中蛤迎，端粒序列的長度是分散的，而在包含距離較遠的satI-telomere的reads中端粒序列長度分布集中在小麂的38bp處（圖3b）含友，這遠短于所有端粒序列的平均長度（667bp）替裆，并且這三種截斷端粒序列只在小麂中大量存在（圖3c）。這些結果表明窘问，包含相鄰satI-telomere的reads可能來源于融合位點辆童，而包含距離較遠satI-telomere的reads可能來源于祖先端粒染色體的著絲粒區(qū)域。進一步的研究發(fā)現(xiàn)在包含satI或satIV的reads中惠赫，約90%的截斷端粒重復序列被回文序列所包圍胸遇。回文序列構成了基因組中的脆弱性位點汉形，該處發(fā)生DNA斷裂后纸镊，一條祖先染色體的短端粒類似序列很可能會與另一條祖先染色體的端粒序列發(fā)生非等位的同源重組，導致了兩條祖先染色體的融合（圖3d）概疆，從而闡明了麂屬物種進化過程中由一個復雜重復序列結構（包含一個短的端粒類似序列逗威，兩側有回文序列，再兩邊分別是鹿科I類和IV類衛(wèi)星序列）介導的染色體串聯(lián)融合機制岔冀。

為了檢驗假設二凯旭，該研究通過比較基因組學的方法，發(fā)現(xiàn)在黑麂使套、貢山麂和赤麂這三種發(fā)生了大量染色體融合的麂屬物種中罐呼，有很多與染色體穩(wěn)定相關的基因發(fā)生了快速進化或受到達爾文正選擇（圖3e）。這些基因的改變可能與重復序列結構共同促進了麂屬物種的染色體融合侦高，也可能對融合后的染色體有穩(wěn)定作用嫉柴。

4. 黑麂新性染色體的進化

為了系統(tǒng)地研究黑麂中的新性染色體，該研究組裝出了黑麂的新性染色體奉呛，即neo-X和neo-Y染色體计螺，并識別出了在雄性黑麂中 375 Mb的neo-Y倒位區(qū)和在雌性黑麂中378mb的neo-X同源區(qū)夯尽。通過比較neo-X和neo-Y倒位區(qū)的多種序列特征（圖4a），發(fā)現(xiàn)形成于約1.5百萬年前的neo-Y染色體倒位區(qū)有97%的序列都比對到了neo-X染色體上登馒，這說明neo-Y染色體有了初步的退化匙握，但退化速度較慢。為了檢測黑麂雄性特有的單核苷酸多態(tài)性位點（SNPs）陈轿、插入缺失（indels）位點和結構變異（SVs）位點圈纺，該研究利用多個黑麂和貢山麂個體的重測序數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)（66.46%）黑麂雄性特異性突變位于neo-Y區(qū)域（圖4b）麦射，并且這些特異性突變的密度分布揭示了neo-Y染色體上兩次倒位的順序（圖4c）赠堵。深入研究這些黑麂雄性特異性突變還發(fā)現(xiàn)它們導致了neo-Y倒位區(qū)內(nèi)高密度的氨基酸非同義替換以及破壞了部分基因的開放閱讀框（ORF）。最后法褥，通過比較黑麂雌性和雄性的三維染色質(zhì)結構茫叭，發(fā)現(xiàn)在neo-Y染色體區(qū)域聚集了大量區(qū)室的轉(zhuǎn)換（圖4d），且這些轉(zhuǎn)變已經(jīng)影響了其內(nèi)部的基因表達水平（圖4e）半等。相比之下揍愁，黑麂雌性和雄性基因組之間的TADs不存在顯著差異，TADs在neo-Y染色體區(qū)域中仍然高度保守杀饵。這些結果表明莽囤，早期的新Y染色體在序列水平上的退化現(xiàn)象較少，基因表達調(diào)控的退化可能發(fā)生在大尺度的染色質(zhì)結構水平上切距。

討論

總的來說朽缎，本研究組裝了多個麂屬動物和獐的高質(zhì)量基因組，并結合三代測序數(shù)據(jù)和Hi-C數(shù)據(jù)谜悟，探索了染色體融合可能的分子機制以及染色體融合過程中三維染色質(zhì)結構的變化话肖。該研究的結果闡明了由一個復雜重復序列結構介導的染色體串聯(lián)融合的機制，揭示了麂屬動物進化過程中染色體重排對區(qū)室和TADs結構的影響較小葡幸，但對顯著相互作用的影響較大最筒，并初步探明了黑麂性染色體的早期進化。這些結果為未來麂屬物種進化的相關研究提供了新的思路蔚叨。

參考：
https://mp.weixin.qq.com/s/BxE32Sni_JAsDmwbjTWhKA
https://mp.weixin.qq.com/s/C7JHuO3HQ53wPduikkRgvQ