人科基因组中核糖体DNA阵列的表观遗传调控与跨代遗传新机制

《Cell Genomics》：Chromosome-specific epigenetic control and transmission of ribosomal DNA arrays in Hominidae genomes

本研究针对人科基因组中多拷贝rRNA基因的剂量调控机制，通过整合长读长测序、染色体特异性表观基因组分析和单细胞成像技术，首次揭示了核糖体DNA（rDNA）阵列存在染色体特异性的表观遗传沉默状态。研究发现沉默阵列具有高DNA甲基化、染色质可及性降低和转录因子UBF/Treacle缺失的特征，且这种沉默状态可通过去甲基化药物逆转，并在细胞重编程和跨代遗传中保持稳定，为理解核仁组织功能和核糖体生物发生的表观遗传调控提供了新范式。

　　

在真核生物细胞中，核糖体RNA（rRNA）基因以串联重复阵列的形式分布在多条染色体上，这些区域被称为核仁组织区（NOR），是核仁形成和核糖体生物发生的核心位点。人类基因组中，45S rRNA基因位于5对近端着丝粒染色体（13、14、15、21、22）的短臂上，其拷贝数在个体间存在显著差异，通常达到数百个。尽管rDNA作为细胞中最活跃转录的基因家族之一，其拷贝数的变异和调控机制长期以来仍是基因组研究中的“暗物质”。由于rDNA区域的高度重复性，其在参考基因组中多为缺口，限制了人们对染色体特异性rDNA阵列的大小、活性状态和表观遗传特征的深入理解。更关键的是，在细胞中是否所有rDNA拷贝都处于活跃转录状态？哪些因素决定了特定rDNA阵列的活性？这种活性状态能否在细胞命运转变甚至跨代遗传中保持稳定？这些问题构成了当前rDNA生物学研究的核心挑战。

发表在《Cell Genomics》上的这项研究，由美国斯托尔斯医学研究中心的Jennifer L. Gerton团队主导，通过对多个人类和类人猿基因组的系统分析，揭示了rDNA阵列存在染色体特异性的表观遗传“指纹”。研究人员发现，每个个体都具有独特的rDNA拷贝数分布和活性谱，其中一些整条阵列处于转录沉默状态，这种沉默状态由DNA甲基化维持，并影响核仁组织和染色体间相互作用。令人惊讶的是，这种表观遗传状态能够经受住诱导多能干细胞（iPSC）重编程和分化的考验，甚至可以在家系中跨代遗传。

研究团队运用了多项关键技术：首先采用荧光原位杂交（FISH）结合深度学习图像分析，实现了对单个染色体rDNA阵列拷贝数和转录活性（通过UBF蛋白标记）的高通量定量；利用流式细胞分选技术分离特定近端着丝粒染色体，结合酶学甲基化测序（enzymatic methyl-sequencing）和纳米孔长读长测序，在单碱基分辨率上解析了rDNA的甲基化景观；通过Fiber-seq技术评估染色质可及性；使用选择性DNMT1抑制剂GSK-3484862进行功能验证；并利用来自人类泛基因组参考联盟（HPRC）的多种细胞系（包括淋巴母细胞系LCLs、iPSCs及其分化的脑类和肠类器官）以及家系 trio 样本，探究了rDNA活性状态的稳定性和遗传性。

rDNA拷贝数和活性在人类及灵长类基因组中的变异

研究人员通过rDNA FISH和UBF免疫荧光分析，测量了10个人类个体中100个rDNA阵列的拷贝数和活性。结果显示，每个个体都具有独特的rDNA“指纹”，包括总拷贝数（从400到600多不等）和各染色体阵列大小的特定分布模式。值得注意的是，在4个样本中发现了含有25个以上基因拷贝但UBF信号低于1%的“转录沉默”阵列。

研究进一步扩展到五种类人猿（苏门答腊猩猩、婆罗洲猩猩、黑猩猩、倭黑猩猩和西部低地大猩猩），发现rDNA阵列的沉默现象在人类近亲中同样普遍存在，表明这是人科基因组的一个保守特征。

rDNA阵列的转录活性决定其核仁组织功能

以CHM13细胞系为模型（其基因组为纯合父源），研究发现22号染色体上的rDNA阵列完全缺乏UBF和Treacle信号，表明其处于转录沉默状态。更重要的是，与活跃阵列相比，沉默阵列参与染色体间rDNA连接（linkages）的频率显著降低（仅4%），且其着丝粒邻近标记与核仁的关联率（45%）也明显低于活跃阵列（67-75%），与非rDNA染色体着丝粒的核仁关联率相当。这表明转录活性是rDNA阵列发挥核仁组织功能的关键。

rRNA基因通过DNA甲基化表观遗传沉默

通过流式分选CHM13的近端着丝粒染色体并进行甲基化测序，研究发现沉默的22号染色体rDNA阵列在其启动子和45S编码区呈现出高甲基化状态，而活跃阵列的相同区域则低甲基化。使用DNMT1抑制剂GSK-3484862处理CHM13细胞全局性降低DNA甲基化后，75%的细胞中22号染色体rDNA阵列被重新激活（UBF阳性）。同时，一个染色体22特异性的28S rRNA变异体在药物处理后重新出现在rRNA池中，Fiber-seq分析也证实沉默阵列的染色质可及性更低。这些证据共同表明DNA甲基化是维持rDNA沉默状态的关键机制。

rDNA活性状态在细胞分化过程中保持稳定并可遗传

在二倍体基因组HG002（NA24385）中，研究人员发现一个22号染色体上的rDNA小阵列在亲本淋巴母细胞系（LCL）中呈UBF阴性。将该LCL重编程为两种诱导多能干细胞（iPSC）系后，这个沉默阵列依然保持沉默，即使进一步分化为脑类器官和肠类器官，其活性状态也未发生改变。对HG002家系 trio（父母-子代）和另一个无关的WashU家系的分析显示，沉默的rDNA阵列（在HG002中位于22号染色体，在WashU中位于14号染色体）均是从父亲遗传给子代，且其大小和沉默状态在遗传过程中保持稳定。在CHM13（纯合父源）中，22号染色体rDNA阵列同样沉默，进一步提示父源基因组可能更容易传递这种沉默状态。

本研究系统揭示了人科基因组中rDNA阵列的染色体特异性表观遗传调控景观。每个个体携带的rDNA阵列在拷贝数、分布和活性状态上构成独特“指纹”，其中沉默阵列通过DNA甲基化、染色质关闭和转录因子缺失维持其状态，并直接影响核仁组织功能和三维基因组互作。这种表观遗传状态在细胞重编程、分化乃至跨代遗传中展现出的稳定性，挑战了早期胚胎发育中表观基因组全面重编程的传统观点，为理解环境因素如何通过调控核糖体基因剂量影响细胞功能和表型提供了新框架。该研究不仅填补了重复序列表观遗传调控的知识空白，也为相关发育疾病和癌症中核仁功能异常的研究开辟了新路径。