人类罗伯逊易位染色体的形成与传播机制解析

本研究首次完成三种常见人类罗伯逊易位染色体（ROB）的全序列组装，揭示其通过SST1巨卫星阵列介导的减数分裂重组形成机制。研究发现染色体14的特有倒置结构、核仁内rDNA阵列的空间邻近及PRDM9介导的重组热点共同促成了ROB的形成。这些染色体保留两个着丝粒阵列但丢失全部rDNA，并通过表观遗传调控实现稳定遗传。该研究为理解染色体结构变异和进化提供了分子基础，对不孕不育、三体综合征和癌症研究具有重要意义。

　　

在人类细胞中，有一种特殊的染色体变异——罗伯逊易位染色体（Robertsonian translocation chromosomes, ROBs），它们由两条端着丝粒或近端着丝粒染色体融合而成。这种变异在自然界中广泛存在，每800个新生儿中就有1例携带ROB。虽然携带者通常没有症状，但ROB会导致不孕不育、三体综合征（如唐氏综合征和帕陶综合征）以及某些癌症发病率的增加。尽管一个多世纪前就被细胞遗传学手段发现，但ROB的形成机制和进化起源一直是个谜。

由Leonardo Gomes de Lima、Andrea Guarracino和Sergey Koren共同领导的研究团队在《Nature》发表了突破性研究，首次完成了三种常见人类ROB（两种13;14易位和一种14;21易位）的完整组装，精确绘制了其融合位点，并揭示了其形成和传播机制。

研究人员综合运用牛津纳米孔测序（ONT）、PacBio HiFi测序、Hi-C技术和Illumina测序数据，通过Verkko组装器生成ROB的完整从头组装。组装质量评估显示Phred质量值在49.10到54.70之间，对应99.999%的准确度，基因完整性超过98%。

研究发现所有ROB都在SST1巨卫星DNA区域发生断裂融合。SST1位于13、14和21号染色体短臂的同源区域（pseudo-homologue regions, PHRs），其中14号染色体上的SST1阵列方向倒置，这种特殊结构使得减数分裂过程中能够发生交叉重组事件，最终导致两条染色体的长臂融合。

SST1阵列分析揭示了三个主要亚家族：sf1（主要存在于近端着丝粒染色体）、sf2（主要存在于常染色体）和sf3（主要存在于Y染色体）。sf1单体富含PRDM9 DNA结合位点，这解释了为什么这些区域容易成为减数分裂重组热点。

研究人员还发现ROB具有两个着丝粒DNA阵列，但丢失了所有核糖体DNA（rDNA）。在两种t(13;14)易位中，只有14号染色体的着丝粒有活性；而在t(14;21)易位中，两个着丝粒都可能保持活性，但由于空间接近，通常被单个外层动粒包裹，这种结构有利于染色体的稳定传递。

通过比较黑猩猩和倭黑猩猩的基因组，研究团队发现14号染色体的倒置是人类基因组独有的特征，这解释了为什么ROB在人类中如此常见。

技术方法方面，研究团队使用了多种前沿技术：对三个ROB携带细胞系（GM03417、GM04890和GM03786）进行ONT长读长测序、PacBio HiFi测序、Hi-C染色质构象捕获技术和Illumina短读长测序；运用Verkko组装器进行基因组组装；通过免疫荧光原位杂交（immunoFISH）和结构光照明显微镜（SIM）分析染色体结构；采用CUT&RUN和CUT&Tag技术研究着丝粒表观遗传状态；并进行系统发育分析研究SST1单体的进化关系。

SST1与染色体间交换

系统发育分析显示，来自13、14和21号染色体的SST1-sf1单体形成单一分支，表明这些染色体间存在频繁的重组交换。此外，SST1区域与片段重复（segmental duplications）显著相关，提示SST1可能在基因组范围内的染色体间重组中发挥重要作用。

黑猩猩和倭黑猩猩基因组中的SST1和rDNA

对非人灵长类基因组的分析发现，黑猩猩和倭黑猩猩的近端着丝粒染色体也含有SST1阵列，但缺乏人类特有的"倒置SST1阵列+rDNA阵列"组合，这解释了为什么ROB形成在人类中更为常见。

着丝粒活性表观遗传调控

研究发现ROB通过着丝粒活性的表观遗传调控实现稳定遗传。在t(13;14)ROB中，只有cen14保持活性，表现为CENP-A富集和CpG甲基化下降（centromere dip region, CDR）；而在t(14;21)ROB中，两个着丝粒都显示一定的活性，但通常被单个外层动粒包裹。

研究结论表明，人类常见ROB的形成需要四个关键因素：异源染色体间的大片同源区域；14号染色体上的特有倒置；rDNA阵列带来的空间邻近；以及SST1内PRDM9介导的重组热点。ROB通过着丝粒活性的表观遗传调控实现稳定遗传。

这项研究不仅解决了百年来的科学谜题，还为理解染色体结构变异、不孕不育、三体综合征和癌症提供了重要的分子基础。SST1巨卫星DNA在基因组不稳定性和进化中的重要作用也值得进一步研究。这些发现将推动我们对人类生殖生物学和染色体进化机制的理解。