单细胞染色质可及性测序技术揭示哺乳动物减数分裂重组景观的高分辨率图谱

本研究通过创新性地将单细胞染色质可及性测序技术(snATAC-seq)应用于单倍体睾丸细胞核，建立了高通量检测减数分裂交叉(CO)的新方法。研究人员利用F1杂交小鼠模型，成功鉴定超过25,000个交叉事件，发现FancmΔ2/Δ2突变体虽增加交叉频率但不改变其分布模式。该技术为研究减数分裂重组机制提供了强大工具，对理解生殖健康和遗传多样性具有重要意义。

　　

在生命繁衍的奥秘中，减数分裂重组犹如一场精妙的分子舞蹈，通过交叉互换(CO)不仅确保染色体正确分离，还创造了遗传多样性。然而，一个多世纪以来，科学家们始终面临着一个关键挑战：如何高效、精准地绘制这些重组事件的全基因组图谱？传统方法需要构建多代家系或依赖复杂的细胞遗传学分析，这在哺乳动物研究中尤其耗时费力。更棘手的是，随着商业试剂盒的更新换代，一些成熟的单倍体测序技术正面临"断供"危机。

针对这些瓶颈，来自澳大利亚圣文森特医学研究所的Novakovic等研究团队在《NAR Genomics and Bioinformatics》上发表了一项突破性研究。他们巧妙地将单细胞染色质可及性测序技术(snATAC-seq)重新定位，开发出首个基于转座酶可及性的单倍体细胞重组检测系统。这项技术不仅解决了传统方法的局限性，更为揭示哺乳动物减数分裂重组规律提供了全新视角。

研究团队采用的主要技术方法包括：1)通过流式细胞术(FACS)分选C57BL/6J × FVB/N杂交小鼠的单倍体睾丸细胞核；2)利用商业化或自制Tn5转座酶进行批量及单细胞ATAC-seq文库构建；3)开发生物信息学流程(sgcocaller和comapr)进行交叉事件检测；4)结合PRDM9 ChIP-seq数据分析重组热点关联性；5)使用Fancm^Δ2/Δ2超重组小鼠模型验证方法敏感性。

研究结果部分，"Bulk ATAC-sequencing libraries using haploid nuclei produce genome-wide coverage"证实：即使面对精子特有的致密染色质结构，ATAC-seq仍能获得全基因组覆盖。数据显示自制与商业Tn5制备的文库质量相当，平均覆盖深度达6.7×，49.7%的杂合SNP能被检测到。

"Single-nucleus ATAC-sequencing library generation, pre-processing, and filtering"部分显示：从6只小鼠获得的3,842个单倍体细胞中，每个细胞平均覆盖30Mb基因组区域。UMAP分析确认细胞类型主要为精母细胞，排除了体细胞污染。

"Meiotic crossover detection with single-nucleus ATAC-sequencing libraries"揭示：野生型小鼠平均每个单倍体细胞含10个交叉，而Fancm^Δ2/Δ2突变体增至12个(P<2.2×10^-16)。值得注意的是，突变体增加的交叉仍遵循原有分布模式，暗示FANCM主要调节交叉数量而非位置选择。

"Comparative analysis of single-nucleus ATAC-sequencing data with published methods"显示：与Tsui等和Hinch等的单细胞测序数据相比，snATAC-seq检测到的交叉位置显著重叠(P=0.002)，验证了方法的可靠性。

"Genome-wide crossover distributions detected with single-nucleus ATAC-sequencing"发现：野生型中双交叉间中位距离为88.8Mb，显著大于随机分布的44.0Mb(P=2×10^-16)，证实交叉干扰机制的存在。而Fancm^Δ2/Δ2突变体的距离缩短至82.6Mb，提示新增交叉可能来自非干扰(II类)途径。

"Crossover hotspots are associated with PRDM9 recombination hotspots"证实：交叉位点与PRDM9结合位点显著相关(P<1×10^-4)，特别是在前10%的热点区域(P=0.02)，表明PRDM9在决定重组位置中的核心作用。

这项研究的意义在于：首先，建立了首个基于染色质可及性的单倍体细胞重组检测技术，相比传统方法通量提高10倍以上；其次，明确了FANCM通过抑制II类交叉途径维持重组平衡的分子机制；最后，为生殖异常疾病的诊断提供了新思路，如通过检测精子重组异常预测非整倍体风险。特别值得关注的是，该方法采用可替代的Tn5转座酶，解决了商业试剂断供的隐患，使技术更具可持续性。

未来，这一技术平台可拓展至人类生殖研究，探索年龄、环境因素对重组的影响；也可应用于农作物育种，通过调控Fancm同源基因创造有利重组模式。随着单细胞多组学技术的发展，将snATAC-seq与表观遗传标记联合分析，有望揭开重组热点选择的更深层机制。这项研究不仅革新了重组检测方法，更为理解生命传承的分子基础提供了关键工具。