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西工大9170官方金沙入口与中科院动物所等合作完成的研究长文在《自然·通讯》发表

发布日期:2021年11月25日     发布人:9170官方金沙入口     来源:

麂属动物是反刍亚目、鹿科、麂亚科的一类小型哺乳动物,因属内各物种间差异巨大的染色体数目而受到广泛关注。其中,小麂、黑麂和贡山麂是我国特有的物种,黑麂是我国一级珍稀保护动物。赤麂分布在我国南方,南亚和东南亚的广大区域,是迄今发现的染色体数目最少的哺乳动物,雌性仅有6条染色体,雄性7条染色体。黑麂和贡山麂都有8条(雌性)和9条(雄性)染色体,但是它们的核型却不相同。小麂与人类一样,有46条染色体。我国一直以来对麂属动物都有很长的研究历史,因为它们是研究哺乳动物成种机制和染色体演化的绝佳模型。其中以已故著名细胞遗传学家施立明院士为代表,自上个世纪八十年代对多种麂属动物染色体进行了长期深入的研究,发现其多变的染色体数目和核型是由鹿科祖先染色体(2n=70)反复串联融合而来,这种串联融合在灵长类中也有发现,但这样反复串联融合的分子机制一直是谜团。另外,由于常染色体和性染色体发生融合,伴随转位和倒位等染色体变异事件,黑麂进化出一对新性染色体(neo-sex chromosomes),这是哺乳动物中迄今发现的最年轻的新性染色体,使其成为研究哺乳动物性染色体进化的难得模型。

2021年,11月25日,国际著名期刊《自然·通讯》(Nature Communications)杂志在线发表了西北工业大学和中科院动物研究所与国内多家科研机构合作完成的题为“Molecular mechanisms and topological consequences of drastic chromosomal rearrangements of muntjac deer”的研究长文,这也是西工大团队继2019年在《科学》(Science)上同时发表3篇反刍动物基因组研究论文后在这一研究方向又一持续的新的研究成果。

该研究组装了具有祖先核型的獐子(也称中国水鹿,河麂,2n=70),小麂(2n=46),雌性和雄性黑麂(2n=8/9)的染色体水平基因组,以及黑麂最近缘物种贡山麂的草图基因组,结合大量能揭示基因组三维构象的Hi-C数据,深入研究了麂属物种染色体进化的分子机制,以及剧烈的染色体进化对基因组三维构象的影响,同时还从多个方面分析了黑麂新性染色体的进化。

通过对小麂、黑麂和贡山麂以及近缘物种麋鹿(2n=68)的三代测序长reads数据分析和比较,该研究进一步阐明了由一个复杂重复序列结构介导的有可能的染色体串联融合机制。该重复序列结构包含一个短的端粒类似序列,两侧有回文序列,再两边分别是鹿科I类和IV类卫星序列。回文序列构成了基因组中的脆性位点,该处发生DNA断裂后,一条祖先染色体的短端粒类似序列很可能会与另一条祖先染色体的端粒序列发生非等位的同源重组,从而导致了两条祖先染色体的融合。另外,通过比较基因组学的方法,该研究还发现在黑麂、贡山麂和赤麂这三种发生了大量染色体融合的麂属物种中,有很多与染色体稳定相关的基因发生了快速进化或受到达尔文正选择。这些基因的改变可能与重复序列结构共同促进了麂属物种的染色体融合,也可能对稳定融合后的大染色体有作用。

图一:麂属动物染色体融合的分子基础。a, 一类卫星序列和端粒序列距离大于或小于500bp的两种三代reads在各物种内的比例;b,各物种内,包含不同卫星序列和端粒序列的三代reads随端粒序列长度的密度分布;c,包含不同卫星序列和端粒序列的三代reads在各物种内所占的数量比例;d,推测的短端粒类似序列介导染色体融合的分子机制。

该研究进一步比较了獐子、小麂和黑麂这三种染色体数目呈阶梯变化的物种的基因组三维构象,发现尽管染色体数目差异巨大,但是它们在染色体区室(compartment A/B)层面相差甚小,表明染色体剧烈进化对该种大尺度三维构象的影响很小。另外,拓扑相关结构域(TAD)受到染色体融合的影响也较小,它在物种间的保守水平主要随物种间分歧时间的增大而减小。与小麂相比,黑麂融合后的染色体增加了很多长距的显著互作(significant interactions),它们可能在维持融合后大染色体在细胞核内的紧缩结构上起作用。另外,黑麂中还随着融合事件建立了很多新的跨融合位点显著互作,这些显著互作可能除了维持染色体三维结构外,还具有一定的调控与物种特异性状相关的功能作用。

该研究组装出了黑麂的整条进化上比较年轻的新性染色体,即neo-X和neo-Y染色体,并在单碱基精度上确定了neo-Y倒位区的范围。通过比较neo-X和neo-Y倒位区的多种序列特征,发现形成于约150万年前的neo-Y有了初步的退化。利用多个黑麂个体和贡山麂个体的重测序数据,该研究得到了neo-Y倒位区的大量雄性特有变异,这些雄性特有变异的密度分布揭示了neo-Y染色体上两次倒位的顺序。深入研究这些雄性特有变异还发现它们导致了neo-Y倒位区内高密度的氨基酸非同义替换以及破坏了部分基因的开放阅读框。最后,通过比较雌性和雄性黑麂的三维构象,该研究发现在neo-Y倒位区聚集了大量染色质构象的转换(compartment switch),且这些转变已经影响了其内基因表达的水平。相比之下,拓扑相关域则在neo-Y倒位区内仍然保持稳定。这些结果提示Y染色体早期可能是大尺度的基因表达改变,随后才跟随基因的退化和剂量补偿的出现。

论文以西北工业大学博士研究生殷源、周博童,中科院动物研究所樊惠中助理研究员、胡义波研究员,华大基因范广益博士,武汉菲沙基因周帆,中科院昆明细胞库王金焕和佴文惠研究员为共同第一作者,中科院动物研究所魏辅文院士,西北工业大学王文教授,浙江大学生命科学研究院周琦教授为共同通讯作者。

该研究成果得到了国家自然科学基金,西北工业大学专项经费,中科院战略性先导B,钱江源国家公园、生态环境部生物多样性调查、观测与评估等项目的支持。

全文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-27091-0


(文:殷源;审核:牟蕾)




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