2021年7月12日，福建省淡水水產(chǎn)研究所薛凌展團(tuán)隊(duì)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(duì)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(dòng)物性染色體近著絲粒起源的假說(shuō)。安諾優(yōu)達(dá)在本研究中提供了三代測(cè)序、Hi-C輔助組裝以及RNA-Seq等多組學(xué)測(cè)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(duì)端粒組裝揭示了年輕的性染色體對(duì)的起源)

發(fā)表時(shí)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(cè)序策略

測(cè)序策略

DNA：

PacBio Sequel II平臺(tái)基因組測(cè)序，構(gòu)建20 kb文庫(kù)

Illumina HiSeq X Ten測(cè)序，構(gòu)建Hi-C文庫(kù)

Illumina NovaSeq 6000測(cè)序，構(gòu)建DNA小片段文庫(kù)

RNA：

Illumina HiSeq X Ten測(cè)序，構(gòu)建RNA文庫(kù)

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(duì)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(guò)二代測(cè)序的短讀長(zhǎng)進(jìn)行組裝拼接。通過(guò)三代測(cè)序CCS模式(環(huán)狀重復(fù)測(cè)序)產(chǎn)生的HiFi reads準(zhǔn)確率超過(guò)99.5%，讀長(zhǎng)達(dá)20 kb，且無(wú)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(duì)選擇大刺鰍作為研究樣本，利用三代和Hi-C測(cè)序技術(shù)進(jìn)行二倍體基因組組裝，期望通過(guò)年輕的性染色體對(duì)的單倍型基因組組裝解析性染色體分化的早期問(wèn)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(duì)提取了雄性大刺鰍的肌肉組織DNA進(jìn)行PacBio三代測(cè)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(cuò)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(gè)染色體水平的單倍體基因組hap-X和hap-Y(圖1)。通過(guò)7個(gè)鱸形總目(Percomorpha)物種和一個(gè)外群物種Acanthochaenus luetkenii(一種基生棘鰭目魚類)的全基因組比對(duì)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(jì)它們?cè)诖蠹s3,600萬(wàn)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(duì)根據(jù)基因組注釋獲取了兩個(gè)拷貝數(shù)較大的衛(wèi)星序列，單體長(zhǎng)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(gè)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(duì)Cen-524和Tel-190探針進(jìn)行雜交，發(fā)現(xiàn)它們?cè)谌旧w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(duì)使用雄性特異性標(biāo)記來(lái)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(gè)雄性和10個(gè)雌性個(gè)體進(jìn)行重測(cè)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(cè)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(gè)區(qū)域。在這兩個(gè)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(cè)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(guò)轉(zhuǎn)錄組分析，檢測(cè)雄性、雌性和間性個(gè)體(發(fā)生性逆轉(zhuǎn)個(gè)體)性腺中SLR基因的表達(dá)譜，獲得兩個(gè)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(guò)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(duì)檢測(cè)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(zhǎng)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(duì)基因組區(qū)室化的影響

文章小結(jié)

本文利用PacBio三代HiFi測(cè)序數(shù)據(jù)和Hi-C測(cè)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(gè)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(duì)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(dòng)物性染色體近著絲粒起源的假說(shuō)，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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