中科院分子細胞科學卓越創新中心李勁松組揭示染色體融合後染色體在核內的空間位置變化

2月10日，國際學術期刊Nature Communications線上發表了中國科學院分子細胞科學卓越創新中心(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”。研究人員透過將bulk Hi-C資料轉化為Khimaira Matrix，並利用其對基因組進行3D建模，揭示了染色體融合後染色體的移動是平行於核周的，以保證基因組A/B區室和表達譜的穩定分佈。此外，透過對自然界獲得的染色體融合小鼠進行分析，發現了由染色體融合帶來的基因組結構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，來源於不同染色體的線性DNA大分子會透過摺疊形成染色體結構域（chromosome territories），並在核內佔據特定的位置。闡明核內染色體的結構與分佈對理解其功能至關重要，這些功能包括DNA修飾與修復，以及基因轉錄活性的調控。近年來，隨著技術的進步，如多染色體FISH和Hi-C技術的迭代，學界對核內基因組結構的理解顯著提升。但是仍有很多十分關鍵的問題尚未得到解決，其中之一就是核內的基因組結構是如何分佈和形成的，以及基因組結構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幹細胞介導半克隆技術，透過CRISPR/Cas9靶向染色體重複序列實現小鼠染色體融合改造，建立全新的穩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，並提示真核生物基因組組裝的系統穩健性（Robustness）是染色體演化的重要基礎。該研究也為哺乳動物進行染色體結構的改造、動物新核型亞種的創造以及染色體結構變異疾病的模擬提供了可行的技術路線，開啟了以小鼠為代表的哺乳動物染色體遺傳改造的新領域。

基於上述成果，在這次的研究過程中，研究團隊希望透過對染色體融合後基因組結構的變化，尤其是染色體核內的空間分佈，來進一步解釋染色體是如何才能形成穩定而又靈活的高階結構。然而，目前的研究表明染色體在核內的分佈呈一定的非隨機性，這也就導致多染色體FISH，單細胞Hi-C和bulk Hi-C的應用都有一定的侷限性。

因此，李勁松團隊開發了將bulk Hi-C資料轉化為具有一定單細胞特質的Genome Khimaira Matrix (K-matrix)的演算法。透過與bulk Hi-C和單細胞Hi-C資料的相關性分析表明，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異質性。進一步利用Khimaira Matrix對基因組進行3D建模，他們發現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區室在核內的輻射分佈。

基於此，透過計算基因組3D模型中染色體之間的距離，研究團隊發現染色體融合僅能夠使得核內部分染色體之間的距離發生變化，主要是發生在融合的染色體與未發生融合的染色體之間。而未發生融合的染色體之間則保持很高的穩定性。這些結果都支援了核內染色體在核內分佈呈一定的非隨機性這一觀點。

其次，團隊又開發了分層解析演算法對核內染色體的輻射分佈進行計算，結果表明染色體在融合後並不影響染色體的輻射分佈。這也就反映出染色體融合導致進行融合的染色體是平行於核周而移動的，而非垂直於核周，進而使得基因組A/B區室和轉錄組的分佈能夠在染色體融合後保持穩定。除此之外，團隊也發現染色體融合對不同細胞型別的影響不同，可能是由於不同細胞型別具有不同的基因組結構造成的。

更進一步對多染色體融合細胞系進行基因組結構建模，團隊發現其演算法能夠有效的展示出所有融合事件，並且染色體之間距離的改變也大多發生在融合染色體和非融合染色體之間。但是，儘管隨著染色體融合數目的增加，差異基因的數目也有一定的增加，但是A/B區室和轉錄組的輻射狀分佈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，團隊最後發現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染色體在核內的分佈上與對照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構變化會被逐漸的積累和儲存下來。

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籤計劃、國家自然科學基金、國家重點研發計劃、上海市科學技術重大專項和上海市科學技術委員會基礎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平臺、細胞分析技術平臺和動物實驗技術平臺的幫助與支援。