单细胞三维基因组解析揭示哺乳动物精子染色质结构的独特组织模式

为解决精子基因组高度凝缩状态下的三维结构解析难题，北京大学等机构研究人员通过优化单细胞Hi-C技术，首次实现了哺乳动物单个精子全基因组三维结构的精准重构。研究发现精子染色体虽保留A/B区室结构，但缺失拓扑关联域(TADs)和染色质环，揭示了与体细胞截然不同的染色质包装模式。该成果发表于《Nature Communications》，为男性不育机制研究提供了新视角。

　　

哺乳动物精子作为高度特化的生殖细胞，其基因组经过极端压缩以达到比体细胞高6倍的核质比。这种独特的包装模式依赖于组蛋白-鱼精蛋白转换过程，但长期以来，精子基因组的三维组织结构一直存在争议。传统成像技术难以解析纳米级染色质排列，而批量测序方法又可能受到体细胞DNA污染的干扰。更关键的是，已有研究对精子是否具有与体细胞相似的拓扑关联域(TADs)和A/B区室等高级结构报道不一，这种认知空白严重制约了对雄性不育等生殖疾病的机制理解。

北京大学联合山东大学等机构的研究团队在《Nature Communications》发表重要成果，通过开发增强型单细胞Hi-C技术，首次在单精子分辨率上揭示了哺乳动物精子基因组的三维组织结构。研究发现精子染色体虽然保留A/B区室等大尺度特征，但完全缺失TADs等精细结构，这种独特的"精简版"染色质组织模式为理解雄性配子形成提供了全新视角。

研究采用三大关键技术：1）优化单细胞Hi-C流程，通过二硫苏糖醇(DTT)/尿素/肝素处理使精子染色质解凝，将DNA接触数提升50倍；2）基于荧光激活细胞分选(FACS)分离人/鼠单个精子，避免体细胞污染；3）结合基因组构象图谱(GAM)验证Hi-C结果。人类样本来自山东大学生殖医院30-50岁健康捐赠者，小鼠采用C57BL/6J品系。

重建精子基因组结构的优化单细胞Hi-C技术

研究人员开发的改良方案突破传统技术瓶颈，单个精子可获得>2000个DNA接触点。关键创新在于使用DTT/尿素/肝素组合处理固定后的精子，显著提高染色质可及性。在mESC中的验证实验显示，该方法获得的120M接触点与标准Hi-C数据高度一致（SCC=0.92），证实其可靠性。

精子三维基因组结构的重建

对1969个高质量精子细胞（1756个达20kb分辨率）的分析显示，重建结构精确再现物种特异性核形态：小鼠精子呈现典型的顶端钩状结构和尾侧凹陷，人类精子则呈现椭圆形-梨形结构。通过定向边界框(OBB)对齐坐标系，发现人类精子结构变异性略高。值得注意的是，随机混合5%其他细胞数据会导致结构畸变，证明数据纯净。

精子染色体的径向排列

染色体疆域分析显示，精子常染色体呈现与体细胞相似的GC含量依赖性核周分布（人类r=0.78，小鼠r=0.57）。但性染色体在减数分裂后形成致密的"减数分裂后性染色质"(PMSC)，始终位于核中心且互作程度极低（比人类19号染色体低63%）。着丝粒-端粒分析发现，小鼠精子着丝粒向核中心迁移而人类趋向周边，颠覆了传统的"发夹环"模型。

极性依赖的异染色质强度

虽然精子A/B区室结构较体细胞弱（小鼠更显著），但B区室（异染色质）仍主要分布在核周边。创新性发现是：强B区室并非均匀分布，而是富集在精子头部的两极（尤其是尾极），这种极性分布可能与核锚定结构"核环"介导的染色质压缩有关。

小鼠和人类精子缺乏TADs

3D邻近度图谱和GAM分析一致表明，精子在兆碱基尺度上完全缺失TADs特征模式。单细胞分析揭示，虽然存在随机分布的TAD样结构，但群体平均后无显著边界。这与精子缺乏CTCF表达和cohesin介导的环挤出活动相符，说明鱼精蛋白替代导致精细结构解离。

X/Y精子染色体组织高度相似

通过X/Y接触比区分单倍体精子后，UMAP聚类和差异互作分析显示，两类精子在常染色体构象、区室强度和接触衰减谱上无显著差异，仅性染色体自身区域存在预期变异。

该研究建立的方法学突破为生殖生物学研究开辟新途径：首先，单细胞Hi-C与GAM的相互验证为染色质结构研究提供双重保障；其次，发现精子基因组采用"精简版"包装策略——保留区室等基础框架但舍弃TADs等精细结构，这种进化适应可能平衡了基因组保护与受精后重编程的需求；最后，极性依赖的异染色质分布为解释精子形态发生提供新线索。这些发现将推动男性不育诊断标志物的开发，并为理解生命起始时期的表观遗传重置机制奠定基础。