2021年7月12日，福建省淡水水產(chǎn)研究所薛凌展團(tuán)隊聯(lián)合福建師范大學(xué)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)和維也納大學(xué)等單位，在Genome Biology在線發(fā)表題為Telomere-to-telomere assembly of a fish Y chromosome reveals the origin of a young sex chromosome pair的論文，從染色體層面解析了大刺鰍基因組，對性染色體的起源及重組抑制進(jìn)行了相關(guān)研究，構(gòu)建了魚類Y染色體完整圖譜，提出動物性染色體近著絲粒起源的假說。安諾優(yōu)達(dá)在本研究中提供了三代測序、Hi-C輔助組裝以及RNA-Seq等多組學(xué)測序技術(shù)和服務(wù)。

文章名稱：Telomere-to-telomere assembly of a fish Y chromosome reveals the origin of a young sex chromosome pair(魚Y染色體的端粒對端粒組裝揭示了年輕的性染色體對的起源)

發(fā)表時間：2021年7月12日

發(fā)表雜志：Genome Biology(13.583)

樣本選擇

大刺鰍(Mastacembelus armatus)的肌肉組織、眼睛、大腦、皮膚和睪丸等不同組織樣本測序策略

測序策略

DNA：

PacBio Sequel II平臺基因組測序，構(gòu)建20 kb文庫

Illumina HiSeq X Ten測序，構(gòu)建Hi-C文庫

Illumina NovaSeq 6000測序，構(gòu)建DNA小片段文庫

RNA：

Illumina HiSeq X Ten測序，構(gòu)建RNA文庫

研究背景

性染色體起源需要在原性染色體之間建立重組抑制。在許多魚類物種中，性染色體對是最近起源的同態(tài)染色體。要弄清重組抑制是如何在性染色體早期分化階段發(fā)生的，就需要合適的研究物種及其高完整度的基因組。

大刺鰍隸屬于合鰓目，具有性逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。其Y染色體具有更早期的起源，這為研究Y染色體退化的早期階段提供了標(biāo)本。然而Y染色體連接區(qū)域具有大量重復(fù)序列和異染色質(zhì)化，很難通過二代測序的短讀長進(jìn)行組裝拼接。通過三代測序CCS模式(環(huán)狀重復(fù)測序)產(chǎn)生的HiFi reads準(zhǔn)確率超過99.5%，讀長達(dá)20 kb，且無需家系信息，可進(jìn)行高準(zhǔn)確度和完整度的基因組組裝。研究團(tuán)隊選擇大刺鰍作為研究樣本，利用三代和Hi-C測序技術(shù)進(jìn)行二倍體基因組組裝，期望通過年輕的性染色體對的單倍型基因組組裝解析性染色體分化的早期問題。

研究思路

研究結(jié)果

01單倍型解析的染色體水平組裝

研究團(tuán)隊提取了雄性大刺鰍的肌肉組織DNA進(jìn)行PacBio三代測序，產(chǎn)生30 G的HiFi數(shù)據(jù)，結(jié)合Hi-C數(shù)據(jù)進(jìn)行基因組輔助組裝，獲得了高質(zhì)量染色體水平的基因組。k-mer分析表明，HiFi讀取錯誤率僅為0.086%，基因組大小為600.1 Mb，contig N50為9.9 Mb。組裝獲得大刺鰍的基因組序列可獨(dú)立產(chǎn)生兩個染色體水平的單倍體基因組hap-X和hap-Y(圖1)。通過7個鱸形總目(Percomorpha)物種和一個外群物種Acanthochaenus luetkenii(一種基生棘鰭目魚類)的全基因組比對數(shù)據(jù)，確認(rèn)了大刺鰍與亞洲沼澤鰻有密切的親緣關(guān)系，并估計它們在大約3,600萬年前彼此分化。

圖1 單倍型基因組組裝

02著絲粒衛(wèi)星的基因組和細(xì)胞遺傳學(xué)鑒定

大刺鰍高質(zhì)量的基因組組裝有助于解析染色體復(fù)雜區(qū)域。為了鑒定著絲粒衛(wèi)星DNA，團(tuán)隊根據(jù)基因組注釋獲取了兩個拷貝數(shù)較大的衛(wèi)星序列，單體長度分別為524 bp(命名為CEN-524)和190 bp(命名為Tel-190)。CEN-524通常出現(xiàn)在每條染色體上的一個位點(diǎn)上。在端著絲粒染色體中，它出現(xiàn)在染色體的一端，在中部和亞中部著絲粒染色體中，它出現(xiàn)在中間。因此Cen-524被驗(yàn)證為候選著絲粒衛(wèi)星。Tel-190只出現(xiàn)在染色體的末端，Tel-190被認(rèn)為與端粒有關(guān)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證候選著絲粒衛(wèi)星，利用熒光原位雜交對Cen-524和Tel-190探針進(jìn)行雜交，發(fā)現(xiàn)它們在染色體上的位置與基因組組裝序列位置基本一致(圖2)。

圖2 著絲粒衛(wèi)星的基因組和細(xì)胞遺傳學(xué)鑒定

03年輕的性染色體分析

研究團(tuán)隊使用雄性特異性標(biāo)記來區(qū)分X和Y染色體，為了進(jìn)一步劃分完全性連鎖區(qū)(sex-linked region，SLR)，選用10個雄性和10個雌性個體進(jìn)行重測序，并篩選與性別相關(guān)的變異，分析發(fā)現(xiàn)了年輕的性染色體。Y染色體上~7Mb序列被發(fā)現(xiàn)與性別有關(guān)，與假常染色體區(qū)(pseudoautosomal region，PAR)或常染色體相比，顯示出高密度的雄性特異性突變，雄性和雌性之間的分化增加。由此推測SLR跨越著絲粒，染色體的兩端是PAR。這表明物理上靠近著絲粒的位置可能是SLR缺乏重組的原因。

根據(jù)雄性特異性變異的密度和內(nèi)含子序列的X-Y差異，將SLR分為R1和R2兩個區(qū)域。在這兩個區(qū)域中，X-Y序列差異接近1%，表明兩者起源很近。由于短臂異染色質(zhì)位于著絲粒附近，推測短臂異染色質(zhì)可能起源于著絲粒周圍異染色質(zhì)(pericentromeric heterochromatin，PCH)。通過轉(zhuǎn)錄組分析，檢測雄性、雌性和間性個體(發(fā)生性逆轉(zhuǎn)個體)性腺中SLR基因的表達(dá)譜，獲得兩個特異性表達(dá)的基因SYCE3和HMGN6。SYCE3可能參與成熟睪丸的精子發(fā)生或其他生物學(xué)過程，而HMGN6是指導(dǎo)睪丸發(fā)育的性別決定候選基因。

圖3 性連鎖區(qū)域的鑒定

04著絲粒周圍存在異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域

為了確定著絲粒周圍區(qū)域的邊界，研究團(tuán)隊檢測了染色體重復(fù)豐度。著絲粒周圍區(qū)域(~4 Mb)具有較高的重復(fù)序列、較低的基因密度、較低的重組率和更頻繁的H3k9me3修飾，與PCH一致。大多數(shù)PCH長約4.2 Mb，其大小僅與染色體大小呈弱相關(guān)且不顯著。較小的染色體，特別是端著絲粒和近中著絲粒染色體，具有較大比例的PCH，包括XY染色體。在著絲粒周圍區(qū)域，較大物理距離上的染色質(zhì)相互作用更為頻繁，與其較高的折疊和壓縮程度特征一致。著絲粒周圍區(qū)域比其他區(qū)域有更大比例的高表達(dá)水平和寬度的基因，與前人研究觀點(diǎn)一致，即H3K9me3在基因抑制中的作用有限，可能存在其他表觀遺傳修飾調(diào)節(jié)PCH中的基因表達(dá)(圖4)。

圖4 著絲粒周圍異染色質(zhì)對基因組區(qū)室化的影響

文章小結(jié)

本文利用PacBio三代HiFi測序數(shù)據(jù)和Hi-C測序數(shù)據(jù)組裝出了大刺鰍高質(zhì)量的染色體水平的基因組，從染色體層面解析了大刺鰍基因組。結(jié)合轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析，獲得SLR中兩個特異性表達(dá)的基因SYCE3和HMGN6，其中HMGN6是指導(dǎo)睪丸發(fā)育的性別決定候選基因。本文對性染色體的起源及重組抑制進(jìn)行了相關(guān)研究，構(gòu)建了魚類Y染色體完整圖譜，提出了動物性染色體近著絲粒起源的假說，為性染色體起源的研究提供了新線索。

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參考文獻(xiàn)

Lingzhan Xue, Yu Gao, Meiying Wu, et al. Telomere-to-telomere assembly of a fish Y chromosome reveals the origin of a young sex chromosome pair[J]. Genome Biology. 2021, 22(1): 203.

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