哺乳动物细胞核中异源融合诱导的染色体重组的可视化

基因组结构表现出显著的可塑性，使其能够耐受染色体融合引起的改变。在这里，作者介绍了一种k矩阵方法来可视化基因组结构和分析染色体运动，为基因组组织稳态原理提供了进一步的证据。

　　

哺乳动物细胞核中染色体融合引发的染色体重组可视化研究解读

中国科学院大学杭州高等研究院生命科学学院浙江省系统健康科学重点实验室的研究人员孟岩等人，在《Nature Communications》期刊上发表了题为 “Visualization of chromosomal reorganization induced by heterologous fusions in the mammalian nucleus” 的论文。该研究开发了一种下采样方法，能将群体 Hi-C 数据集转换为类似单细胞的 Khimaira 矩阵（K 矩阵），并构建 3D 基因组模型，实现了对染色体重组的高分辨率可视化，为深入理解基因组结构和功能的关系提供了重要依据，有助于揭示染色体进化和疾病发生发展的机制 。

一、研究背景

在真核哺乳动物的细胞核中，染色体的空间组织和功能折叠至关重要。基因组 DNA 折叠形成不同的亚区室，包括活跃的 A 区室和不活跃的 B 区室，进一步聚集形成拓扑相关结构域（TADs）和环，这些结构为基因调控提供了结构框架，与 DNA 修饰、修复和转录活性密切相关。然而，目前理解基因组架构仍面临诸多挑战，比如高阶非随机结构的组织机制，以及基因组架构与功能的关系。

染色体融合或易位等剧烈的染色体变化，会导致细胞核中染色体结构的位移，是研究 3D 基因组组织和这些变化影响的宝贵遗传材料，在进化和疾病过程中也起着关键作用。例如，人类染色体 2 是由两条独立的灵长类祖先染色体融合形成。此前研究利用具有自然发生罗伯逊（Rb）融合的小鼠雄性生殖细胞，发现 Rb 融合会影响基因组拓扑结构。为深入探究这种核型重组的结构和生物学意义，研究人员创建了具有融合染色体的小鼠单倍体胚胎干细胞（haESCs）和稳定小鼠品系，但目前缺乏有效策略精确研究基因组如何应对融合。同时，现有研究方法存在局限性，mFISH 只能提供基因组架构的部分快照，基于群体 Hi-C 数据集的基因组建模无法显示融合染色体的正确空间位置，单细胞 Hi-C 基因组建模则需要大量资源。

二、研究材料与方法

（一）实验动物

使用特定病原体 - free（SPF）级别的小鼠，包括 C57BL/6j、DBA/2 和 B6D2F1 小鼠，饲养条件为温度 22°C，湿度 30% - 40%，光照周期 12h 光照 / 12h 黑暗。所有动物实验经中国科学院上海生物化学与细胞生物学研究所分子细胞科学卓越中心动物护理和使用委员会批准。

（二）样本制备

1. 脑样本制备：解剖小鼠全脑并切碎，收集脑浆后用含 1% BSA 的 1×HBSS 悬浮，进行交联、终止反应、离心洗涤，再用组织裂解缓冲液解离，过滤得到单细胞悬液，液氮速冻后储存于 -80°C。

2. Hi-C 文库制备和数据分析：原位 Hi-C 实验按照先前报告进行，原始读数由 HiC-Pro 处理生成有效对和接触矩阵，使用 HOMER 软件检测 A/B 区室。

（三）模型计算

使用多种模型计算染色体 3D 结构，如 PASTIS、SuperRec、PGS、IGM 模型等，均使用默认参数，并用不同软件进行展示。同时，开发将群体 Hi-C 数据转换为 K 矩阵的方法，包括随机选择、Max-Edge 选择和 Max-Point 选择三种策略，最终选用效果最佳的 Max-Point 方法进行后续分析。此外，还用 K 矩阵作为输入计算 Si-C 模型。

（四）其他实验方法

通过计算 Hi-C 矩阵相关性、构建和可视化基因组 3D 结构、计算模型间的均方根偏差（RMSD）、确定着丝粒和端粒位置及距离、进行分层位置分解分析、分析 RNA-seq 数据、DNA 荧光原位杂交（DNA-FISH）及图像分析等实验，全面探究染色体融合后的变化。

三、研究结果

（一）群体 Hi-C 数据下采样为基因组 Khimaira 矩阵

研究人员尝试用群体 Hi-C 接触数据构建全基因组 3D 模型，但现有方法无法返回有效模型。于是开发了模拟单细胞接触特征的采样方法，生成 K 矩阵。测试随机选择、Max-Edge 选择和 Max-Point 选择三种方法后，发现 Max-Point 方法生成的模型参数更优，运行时间更短。K 矩阵与原始批量数据相关性高，且能体现单细胞 Hi-C 的模型间变化特征，其覆盖度和分布与单细胞 Hi-C 数据相似，适合用于生成 3D 模型。

（二）K 矩阵起源的 3D 基因组模型保留原始基因组的功能 3D 结构特征

以 ROB-O48 细胞为例，其融合染色体在 K 矩阵生成的 3D 模型中紧密相连，与野生型模型不同，且融合染色体间的距离和着丝粒距离显著减小，染色体 territories 保持相对独立。在携带不同融合染色体的 haESCs 及分化细胞中，模型能准确显示融合事件，且 A/B 区室和表达区域的分布符合预期，在具有特殊区室分布的细胞中也能正确呈现，表明 K 矩阵起源的模型保留了原始基因组的关键功能 3D 结构特征。

（三）融合诱导的染色体位置变化支持 3D 基因组组织的邻近模式概率模型

通过分析核内所有染色体间的空间关系，计算欧几里得距离，发现 K 矩阵起源的 3D 模型稳定且一致，融合事件仅引起融合与非融合染色体间的轻微位置变化，支持了 3D 基因组组织的邻近模式概率模型。

（四）分层位置分解分析表明融合染色体在细胞核中的径向位置稳定

开发分层位置分解方法（LPD）研究融合引起的染色体径向位置变化。结果显示，各染色体的 InterDepth 在样本重复间稳定，Rb 融合对融合或非融合染色体的 InterDepth 影响较小，而端粒 - 着丝粒融合导致更多染色体片段的径向位移。不同细胞类型对染色体融合的耐受性不同，脑细胞可能具有不同的染色体构型。

（五）具有多个融合事件的 ROB-O48 细胞中 A/B 区室的稳定径向分布

在具有多个融合事件的 ROB-O48 细胞（mROB-O48）中，随着融合染色体数量增加，TADs 变化增多，但 A/B 区室分布和表达模式仍保持径向分布。chr11 倾向于位于核中心，chrX 位于核周边，DNA-FISH 实验验证了这一结果，表明 chr11 可能在 3D 基因组组织中起重要作用。

（六）Rb 融合的长期效应导致进化过程中 3D 基因组组织的改变

重新分析具有自然发生 Rb 融合的小鼠（BRbS 小鼠）的 Hi-C 数据，K 矩阵起源的 3D 基因组模型能精确重现其染色体融合对，且在不同细胞类型中呈现出特定的染色质结构特征。与实验室制造的 Rb 融合细胞不同，BRbS 小鼠成纤维细胞中部分染色体发生显著径向位移，表明 Rb 融合引起的 3D 基因组组织变化在长期自然进化中可能被保留和积累。

四、研究结论与讨论

本研究开发的 K 矩阵方法可有效将群体 Hi-C 数据集转换为类似单细胞的矩阵，构建的 3D 基因组模型能精确重现不同细胞类型中融合染色体的连接和 A/B 区室的径向分布，对不同工具建模基因组结构具有可行性，且适用于多种染色质状态的细胞类型，但模型的 RMSD 仍需优化。

研究发现 3D 基因组组织具有稳健性，融合事件中染色体的平行移动可能是维持其稳健性的原因。不同细胞类型的染色体构型差异会影响对染色体融合的响应，建立所有细胞类型的基因组构型图谱有助于揭示 3D 基因组与功能的关系。此外，染色体在细胞核中有偏好的空间位置，如 chr11 在不同细胞中的定位，进一步研究其维持空间位置和功能的机制，有助于深入理解全基因组 3D 结构组织。

在自然选择过程中，染色体融合引起的空间位置调整可能逐渐积累，改变基因组结构。K 矩阵策略实现了对染色体变化诱导的 3D 基因组组织动态的可视化，为全面理解功能基因组架构提供了有效方法，拓展了对染色体进化的认识，为后续相关研究奠定了重要基础。