减数分裂过程中，cohesin蛋白RAD21L决定了雄性生殖细胞中三维基因组结构及转录过程的形成

《SCIENCE ADVANCES》：Meiotic cohesin RAD21L shapes 3D genome structure and transcription in the male germline

染色体三维架构与转录调控的协同作用在精子生成中至关重要，而Rad21L作为配子特异性共hesin亚基，其功能尚未完全阐明。本研究通过Hi-C和单细胞RNA-seq分析，发现敲除Rad21L导致精原细胞和初级精母细胞中染色体高级结构重构，包括A/B分隔异常、长程异源染色体相互作用增加以及花束结构紊乱。这种三维基因组改变与转录失调相关，表现为性染色体沉默缺陷和关键减数分裂基因表达异常，最终导致精子生成阻滞。这些发现揭示了Rad21L在维持配子特异性染色质架构和协调转录调控中的双重作用，为理解减数分裂机制提供了新视角。

　　### 雄性生殖细胞中RAD21L缺失对三维基因组结构与基因表达的影响

在哺乳动物的减数分裂过程中，染色体采用一种独特的三维（3D）结构，这种结构对于生殖能力至关重要。然而，关于这种精细的空间组织在基因表达调控中的功能意义，目前仍知之甚少。本文研究了RAD21L基因缺失对雄性生殖细胞中三维基因组结构和基因表达的影响，RAD21L是减数分裂特异性凝聚素复合物的一个亚基。通过荧光激活细胞分选（FACS）、高通量染色体构象捕获（Hi-C）分析以及单细胞RNA测序（RNA-seq），我们发现RAD21L的缺失破坏了减数分裂期间的染色质组织和染色体间的相互作用。这种显著的三维基因组重构也影响了 bouquet 结构的形成，导致初级精母细胞中异染色体之间的端粒相互作用增加。此外，我们观察到从精原细胞到初级精母细胞的整个过程中，基因表达出现紊乱。我们的研究结果确立了RAD21L作为调控减数分裂期间全基因组三维基因组重构的关键因子，并揭示了其在雄性生殖细胞转录景观中的调节作用。

在减数分裂过程中，基因组结构经历了剧烈的变化，包括染色体的核分布、DNA甲基化、组蛋白修饰和转录活动的调整。这些变化不仅影响染色体的物理结构，还对基因表达的调控至关重要。RAD21L是凝聚素复合物的一个重要组成部分，其在减数分裂期间的表达对染色体轴的形成和同源染色体配对起着关键作用。RAD21L缺失的小鼠表现出不育，其减数分裂过程中同源染色体配对失败、连接元件（LEs）破碎以及DNA双链断裂（DSBs）处理异常，最终导致DSBs的积累。此外，RAD21L还参与端粒与核膜的附着，影响端粒的稳定性，从而影响减数分裂的正常进行。

在减数分裂过程中，RAD21L不仅参与同源染色体的配对，还可能在染色体轴的形成中发挥重要作用。通过分析不同细胞类型（如精原细胞和初级精母细胞）的基因组结构，我们发现RAD21L的缺失导致了染色质的异常重构。具体来说，在精原细胞中，RAD21L的缺失使染色体间的相互作用增加，染色体内的相互作用减少，这与染色体的松散结构有关。同时，RAD21L的缺失还导致了bouquet结构的异常，使得端粒在核内形成异染色体间的相互作用，而不是正常地聚集在核膜周围。这些结构变化可能对减数分裂的正常进行产生负面影响，包括同源染色体配对失败和重组事件的异常处理。

此外，RAD21L的缺失还影响了转录景观的形成。在精原细胞中，我们检测到与RAD21L结合的基因在缺失情况下表现出轻微但显著的上调，而未与RAD21L结合的基因则表现出下调。这种转录调控的变化与染色质结构的改变密切相关，说明RAD21L在染色质组织和基因表达调控中具有双重作用。通过整合Hi-C数据和单细胞RNA-seq数据，我们发现RAD21L的缺失不仅改变了染色质的结构，还影响了基因表达的模式，特别是在性染色体上的基因表达异常。

在性染色体的调控方面，RAD21L的缺失导致了性染色体的异常沉默。在正常减数分裂过程中，性染色体在前中期阶段经历了一种称为减数分裂性染色体失活（MSCI）的现象，这通常伴随着染色质结构的改变和基因表达的下调。然而，在RAD21L缺失的小鼠中，性染色体保留了类似于体细胞的A/B染色质区域模式，这表明MSCI的调控受到了干扰。这种异常的染色质结构与性染色体基因的异常表达密切相关，包括关键的减数分裂调控基因如Zfy2和Taf7l的表达增加，以及与DNA损伤反应相关的基因如Fmr1的表达异常。

RAD21L的缺失还影响了染色质结构的多个层面，包括A/B染色质区域、染色体间的相互作用、长距离相互作用（LRIs）以及DNA环的形成。这些结构变化不仅限于减数分裂阶段，还可能在减数分裂前的精原细胞阶段就开始显现。通过分析不同细胞类型中的基因表达变化，我们发现RAD21L的缺失对基因表达的影响具有阶段特异性，特别是在精原细胞和初级精母细胞中，基因表达的紊乱更加明显。

综上所述，我们的研究揭示了RAD21L在减数分裂期间对三维基因组结构和基因表达调控的双重作用。RAD21L不仅影响染色质的组织，还参与性染色体的沉默过程。其缺失导致了性染色体的异常表达，可能通过干扰MSCI的正常进行，影响减数分裂的进程。这些发现不仅加深了我们对RAD21L在雄性生殖细胞发育中的作用的理解，也为进一步研究凝聚素在基因表达调控中的机制提供了新的视角。