## 中文标题 染色质可及性揭示淡水关键种鱼类的适应性调控变异

《Molecular Ecology》：Chromatin Accessibility Reveals Adaptive Regulatory Variation in a Keystone Freshwater Fish

　　

## 中文翻译

调控变异日益被认为是适应性进化的主要驱动力，但其在自然种群中的作用仍未得到充分解析。研究人员通过整合ATAC-seq染色质图谱与种群基因组异常值扫描及RNA-seq基因表达数据，刻画了调控元件的功能影响，并鉴定了选择信号与组织特异性染色质及转录变化共定位的候选位点。研究人员绘制了栖息于对照性腐殖质（黑水）与清水湖泊中的野生欧洲河鲈（*Perca fluviatilis*）三个组织（眼、肝、脾）的全基因组染色质可及性图谱。研究人员鉴定了超过76,000个可及染色质区域，覆盖基因组36.1 Mb，这些区域富集了与视觉、代谢和免疫应答相关的基因功能。染色质景观呈现强烈的组织特异性，而仅有少数区域（0.32%，n=161）在环境间表现出差异可及性，表明调控架构主要由组织特性而非环境背景主导。将种群基因组异常值扫描与染色质图谱整合分析后发现，适应性SNP在常见开放染色质区域（1.5倍）和转录起始位点（1.7倍）中显著富集，直接证明顺式调控元件是自然选择的频繁靶标。本研究证实河鲈的腐殖质适应靶向特定调控区域，这些区域可通过ATAC-seq方法 readily 鉴定，凸显了功能性染色质图谱在进化基因组学中的价值。综上，研究结果为野生脊椎动物提供了首批全基因组调控图谱之一，并建立了将自然选择与野外调控机制联系起来的功能框架。

## 论文解读

### 一、研究背景与科学问题

调控变异通过影响基因表达的时空模式，已成为表型进化的重要驱动力。尽管顺式调控元件如启动子和增强子在物种内环境适应性分化中发挥关键作用，但非编码区域中序列变异的功能后果仍未得到充分表征。将处于选择下的调控区域与特定功能机制联系起来，是理解适应性进化遗传基础的核心挑战。染色质处于开放状态时，转录因子等调控蛋白可结合DNA并启动转录，ATAC-seq（利用转座酶研究染色质可及性的测序技术）能够全基因组范围内鉴定开放染色质区域，从而识别潜在的调控元件。然而，该技术在野生种群中的应用仍然有限，直接将染色质可及性与种群基因组选择信号联系起来的研究更是少见。

栖息于腐殖质（黑水）湖泊中的欧亚河鲈是研究调控景观在局域适应中作用的理想模型。腐殖质湖泊以低pH、弱光穿透和缺氧条件为特征，而河鲈是少数能在这种恶劣环境中繁盛的温带鱼类之一。先前基于全基因组的研究已在适应腐殖质环境的种群中鉴定出数百个选择候选位点，涉及免疫功能、离子转运和神经发育等基因，并发现选择信号在5′和3′非翻译区等调控区域富集，但远端非编码调控元件（如开放染色质区域）对这些适应性模式的贡献仍不清楚。本研究旨在通过ATAC-seq绘制河鲈眼、肝、脾组织的全基因组染色质可及性图谱，检验染色质可及性是否主要反映组织特异性功能而非种群或环境差异，并评估高度分化的异常值SNP是否在开放染色质区域中富集，从而揭示调控变异对适应性分化的贡献。

### 二、研究设计与关键技术方法

研究人员于2021年8月在爱沙尼亚采集了来自三个清水湖泊（?ntu Valgej?rv、Viitna Pikkj?rv、Piigandi）和三个腐殖质水湖泊（Kuulma、Heisri Mustj?rv、Matsim?e Pühaj?rv）的六尾雌性河鲈个体。采用ATAC-seq技术绘制眼、肝、脾组织的全基因组染色质可及性图谱，利用MACS2进行峰值 calling，HOMER进行峰值注释和转录因子基序发现。研究整合了已发表的种群基因组Pool-seq数据（López等，42个种群约90万个过滤SNP中的3,556个异常值SNP）和转录组RNA-seq及eQTL数据（Ozerov等，来自爱沙尼亚16个野生种群的69尾个体，鉴定出超过5,000个差异表达基因），通过富集分析检验选择信号在开放染色质中的分布，并通过多组学整合评估候选区域的调控机制。

### 三、研究结果

**ATAC-seq数据概述与染色质可及性图谱特征。** 研究从18个样本中检测到76,850个染色质可及性峰值，覆盖基因组的3.80%。脾脏表现出最高水平的染色质可及性（平均46,489个峰值），其次为肝脏（24,600个）和眼睛（13,768个）。样本聚类分析显示染色质可及性模式主要按组织类型而非栖息地类型区分。21.5%的峰值在三个组织间共享，脾脏拥有最高比例的组织特异性峰值（70.1%）。

**峰值注释与基因本体论分析。** ATAC-seq峰值主要分布于内含子（31,421个）和基因间区（25,270个）。泛基因组混合效应模型显示，峰值倾向于定位在基因的第一外显子或第一内含子，且该概率随外显子或内含子总数增加而降低。KEGG通路富集分析揭示了强烈的组织特异性：眼富集光转导和神经传递通路，肝富集免疫相关通路，脾富集代谢和信号通路，三个组织间没有共享的KEGG通路。

**染色质可及性与基因表达的关联。** 所有组织中，具有ATAC-seq峰值的基因显著更可能被表达，比值比（Odds Ratio）在脾（10.28）、肝（9.91）和眼（9.20）中均表现出约十倍富集，证实开放染色质区域对应影响基因表达的功能性调控元件。差异表达基因在脾脏中与可变染色质区域显著富集（54.9%对52.0%，Bonferroni校正p=0.015），但在眼和肝中未观察到显著差异。

**转录因子结合基序富集。** 共鉴定出31个显著富集的基序，包括高频出现的通用调控因子Clamp（46,687次，43.5%）、B52（9,170次，8.54%）和ENOX1（7,010次，6.52%），以及高亲和力基序如Znf263（平均分16.03）、EBF3（15.82）和HES6（15.82）。功能注释揭示这些基序涉及复制修复（Clamp）、RNA加工（B52、GABPA）、转录调控（Foxo1、ENOX1）、染色质组织（CTCF）和代谢调控（GABPA）等关键过程。

**组织和环境相关的染色质可及性差异。** 多维尺度分析支持组织间截然不同的染色质可及性特征。仅0.32%（n=161）的ATAC-seq峰值在腐殖质与清水环境间表现出差异可及性。环境差异峰值邻近具有潜在功能相关性的基因，如眼中与轴突导向和能量代谢相关的NRP2和CRTC2基因，以及肝中与免疫防御和能量代谢相关的ABCF3和AOX1基因。

**开放染色质区域中选择信号的富集。** 共发现186个异常值SNP与ATAC-seq峰值重叠。经Bonferroni校正后，常见开放染色质峰值（10-18个样本中出现的峰值）中的异常值SNP显著富集（校正p=0.019，富集倍数1.463），转录起始位点（TSS）区域亦显著富集（校正p=0.019，富集倍数1.707）。组织特异性分析显示，眼、肝、脾的TSS峰值均表现出显著富集，其中肝TSS富集最强（校正p=3.8E-05，富集倍数1.951），直接证明顺式调控元件是自然选择的频繁靶标。

**多组学整合的功能注释。** 研究评估了四个代表性选择扫描区域。在TOR1AIP1基因座（17号染色体），一个内含子ATAC-seq峰值与eQTL和多个聚集的异常值SNP共定位，支持该内含子区域存在调节表达变异的潜在顺式调控元件。SPATA5基因座（5号染色体）中，三个异常值SNP集中在启动子-TSS区域内500 bp的开放染色质片段中。MYLIP基因座（13号染色体）的异常值SNP分布于两个相邻的可及性峰值中，其中一个位于基因上游的基因间区，另一个位于内含子区域。TCHH基因座（7号染色体）中，一个仅在腐殖质环境个体中可及的第一内含子峰值包含异常值SNP，并与脾脏中的基因表达差异一致，支持染色质调控在局域适应中的潜在作用。

### 四、讨论与结论

本研究表明染色质可及性模式主要由组织特性主导，而非环境背景。尽管环境相关峰值数量有限，但常见开放染色质区域和TSS区域中异常值SNP的显著富集，表明调控元件是自然选择的频繁靶标。转录因子基序分析揭示了一套跨组织保守的核心调控元件，其中GABPA、CTCF等基序在代谢调控和染色质结构中发挥关键作用。多组学整合策略成功鉴定了多个候选调控区域，展示了将染色质可及性与表达数据和种群遗传信号联系起来的功能框架。研究存在样本量有限（18个样本，均为雌性）、单时间点采样、无法区分可塑性响应与遗传分化等局限性，但作为首批对野生脊椎动物应用ATAC-seq的研究之一，为将自然选择与野外调控机制联系起来提供了重要基础。

**研究结论：** 本研究是首批将ATAC-seq应用于野生脊椎动物的研究之一，为淡水关键种鱼类提供了全面的调控景观视图。研究结果表明，开放染色质区域尤其是TSS附近的区域富集了高度分化的SNP，提示调控区域代表选择的频繁靶标。环境差异对染色质可及性影响有限，而组织特异性模式与已知生理功能一致，支持调控架构在塑造器官特异性表达中的作用。通过将ATAC-seq数据与差异基因表达和eQTL数据整合，研究鉴定了具有潜在适应性意义的候选基因和推定因果变异。这种将染色质可及性、种群基因组信号和转录组数据多层整合的分析策略，为将种群基因组信号与调控机制联系起来建立了功能框架，也为自然种群中适应性变异的实验验证奠定了基础。