羊膜动物染色体与三维核结构的演化：揭示哺乳类与爬行类核架构的保守性与特异性

《Nature Communications》：Evolution of chromosomes and nuclear architectures of amniotes

本研究针对羊膜动物（哺乳类与爬行类）染色体序列与三维核结构自共同祖先以来的分化机制这一关键科学问题，通过重建6个主要演化节点的祖先染色体群（ALGs），并结合Hi-C、GPSeq、lamin-B1 ChIP-seq等多组学技术，系统揭示了哺乳类以易位/断裂为主导、爬行类以融合为主的差异化染色体演化模式。研究发现，尽管线性序列重排差异显著，源自古老微染色体（micro-ALGs）的序列在两类动物中均保守定位于核内核区（近核斑），而哺乳类中AluSx等转座元件的特异性扩增则局部调控了核架构的种系特异性分化。该成果发表于《Nature Communications》，为理解染色体演化与三维基因组结构的深层约束机制提供了重要见解。

　　

在生命演化的长河中，羊膜动物（包括哺乳类和爬行类）自共同祖先分道扬镳以来，其染色体不仅在DNA序列上发生了巨大分化，更在细胞核内的三维空间结构上展现出显著差异。长久以来，科学家们好奇的是：这些线性染色体序列的重排如何影响其三维核架构？哺乳动物与爬行动物在染色体演化模式上有何不同？其背后的驱动力和约束机制是什么？理解这些问题，对于揭示基因组结构如何影响基因调控、细胞功能乃至物种演化具有重要意义。

以往的研究表明，爬行动物（包括鸟类）通常拥有大量基因密集的微染色体，它们倾向于聚集在细胞核的内部区域；而哺乳动物的染色体则经历了更多的重排，微染色体多已融合进较大的染色体中。然而，由于缺乏跨越羊膜动物主要类群的高质量染色体级别基因组数据，以及系统性的祖先染色体状态重建，我们对染色体线性演化与三维核结构演化之间的内在联系始终认识不清。

为了深入探究这一难题，浙江大学生命科学研究院的周琦教授团队与刘静博士等研究人员在《Nature Communications》上发表了题为“Evolution of chromosomes and nuclear architectures of amniotes”的研究论文。他们整合了36种羊膜动物（包括20种哺乳动物和16种爬行动物）的染色体级别基因组数据，其中特别包含了为本研究新生成的中华鳖（Pelodiscus sinensis）和暹罗鳄（Crocodylus siamensis）的高质量基因组。研究团队利用比较基因组学方法，成功重建了羊膜动物祖先、哺乳动物祖先、爬行动物祖先等6个关键演化节点的祖先连锁群（Ancestral Linkage Groups, ALGs），并系统比较了不同谱系中染色体倒位、易位、融合等重排事件的发生速率和模式。进一步地，他们结合多种三维基因组学技术（如Hi-C、GPSeq、lamin-B1 ChIP-seq），分析了染色体在核内的空间位置（如靠近核纤层还是核仁核斑）及其相互作用模式，并探讨了转座元件（如Alu、B1）在局部调控核架构中的作用。

本研究的关键技术方法包括：利用DESCHRAMBLER流程进行基于参考基因组的祖先染色体重建；基于Hi-C数据计算染色体间交互强度（trans-interaction）以推断核内空间邻近性；利用GPSeq（基因组位点定位测序）数据和lamin-B1的ChIP-seq/CUT&Tag数据精确评估基因组区域相对于核周边（核纤层）的距离；以及对进化断点区域（EBRs）进行序列特征（GC含量、重复序列、拓扑关联域TAD边界强度）分析。新生成的中华鳖和暹罗鳄基因组样本来自中国浙江和海南的养殖场。

重建羊膜动物关键节点的祖先连锁群

研究人员选取了20种哺乳动物、16种爬行动物和1种两栖动物作为外群，利用DESCHRAMBLER流程，分别以人（T2T-CHM13v2.0）和鸡（GGswu）为参考基因组，重建了羊膜动物祖先（AALG, Amniote Ancestral Linkage Groups）等6个节点的祖先染色体。结果显示，羊膜动物祖先拥有44条ALGs，可依据大小分为大（macro-）、中（medium-）、微（micro-）三类。相比爬行类祖先，哺乳动物祖先的染色体经历了显著更多的易位/断裂等重排事件。重建结果与已发表的细胞遗传学和基因组学证据高度一致，并修正和补充了先前的一些认识，例如发现了一个在爬行类祖先中发生的、此前未被报道的AALG 10与19的融合事件。

哺乳类与爬行类具有差异化的染色体演化速率和模式

通过追踪AALGs在各类群中的演化轨迹，研究发现哺乳动物分支的染色体倒位速率平均是爬行动物的3倍以上（3.30 vs. 0.94 事件/百万年）。在染色体间重排方面，爬行动物（尤其是鳄类）以AALGs之间的融合为主，而哺乳动物则以易位/断裂为主导。更重要的是，哺乳动物的重排更频繁地涉及微AALGs与大AALGs之间的交互。对进化断点区域（EBRs）的分析表明，真兽下纲（Eutheria）的染色体主要被“纲级（Class-level）”EBRs塑造，且存在相当比例（12%-19%）的“再利用（reused）”EBRs，提示存在基因组脆弱位点。而“科级（Family-level）”EBRs则具有更高的GC含量、重复序列含量，且更可能与TAD边界重叠，反映了近期转座元件插入对局部三维结构的影响。

祖先微染色体在核架构上表现出高度的进化稳定性

尽管哺乳动物和爬行动物的染色体经历了不同的重排模式，但研究发现在两类动物中，源自微AALGs的基因组区域均倾向于位于核内部，并表现出更强的染色体间交互。分析表明，现存染色体的微AALG组成比例对其核内位置（以trans-interaction强度和lamin-B1结合强度为指标）的预测能力优于染色体本身的大小。即使微AALGs在哺乳动物中已融合进大染色体，其衍生区域（如在人类chr1, chr12上）仍倾向于保持内部的核定位，呈现出分层（stratified）的GPSeq分数模式。然而，也发现了一些例外情况：一些主要由微AALG融合形成的大染色体（如豹纹守宫chr4、鸭嘴兽chr3）其trans-interaction减弱，可能伴随重复序列含量升高和GC含量降低，暗示其核位置可能发生了向核周边的偏移；而一些由大AALG断裂形成的小染色体（如人类chr21）则因积累了高互作的AluSx元件而增强了trans-interaction，可能移向核内部。

谱系特异性重复序列在哺乳动物中局部调整进化上保守的核架构

在人类中，研究发现特异性在高等灵长类中扩增的AluSx亚家族元件，而非其他Alu亚家族或LINE L1元件，表现出强烈的同型trans-interactions。这些互作与基因组区域是否源自微AALG无关，且其同源区域在鸸鹋、鸭嘴兽和大象中均无或仅有微弱互作，提示这是灵长类特异的新生现象。富含高互作AluSx元件的区域更可能被标记为与核斑（speckle）相关的A1亚区室（subcompartment），其侧翼基因富集于DNA/RNA代谢、DNA损伤应答等看家功能。类似地，小鼠中的B1 SINE元件也表现出显著的trans-interactions。这些谱系特异性的SINE元件通过同型吸引，可能在保守的核架构基础上，局部微调了染色质的空间排布，促进了哺乳动物物种间核架构的分化。

该研究得出结论，尽管哺乳动物和爬行动物在染色体水平上经历了显著不同的重排模式（哺乳类以易位/断裂为主，爬行类以融合为主），但源自古老微染色体的序列在两类羊膜动物中均保守地定位于核内部，这种高阶核架构可能起源于脊椎动物早期甚至更早（如在文昌鱼中已观察到类似模式），并对染色体演化构成了深层约束。另一方面，谱系特异性转座元件（如人类的AluSx、小鼠的B1）的爆发性插入，通过同型相互作用局部调整了染色质的空间组织，为核架构的种系特异性分化提供了重要机制。这项工作首次在广谱羊膜动物类群中，将染色体线性序列的演化与三维核空间结构的演化联系起来，揭示了在剧烈序列重排背后所隐藏的核架构保守性，以及转座元件在驱动局部创新中的关键作用，为理解基因组三维结构的演化规律和功能意义提供了新的维度。