新研究！三維基因組學(xué)揭示精子成熟發(fā)育減數(shù)分裂過程中染色質(zhì)的變化！
信息來源：金開瑞 作者：genecreate 發(fā)布時間：2019-09-03 14:14:30
題目：Attenuated chromatin compartmentalization in meiosis and its maturation in sperm development
期刊：Nature Structural & Molecular Biology
影響因子：13.333
主要技術(shù)：Hi-C、ChIP-seq、RNA-seq
研究背景
生殖發(fā)育的標(biāo)志是減數(shù)分裂，即生殖細(xì)胞基因組經(jīng)過重組以促進(jìn)后代的遺傳多樣性。在精子發(fā)生后期，生殖細(xì)胞經(jīng)歷細(xì)胞重建和全局染色質(zhì)重構(gòu)，最終形成具有功能的精子。在減數(shù)分裂開始時，細(xì)胞系特異性基因的激活全轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)過程是在減數(shù)分裂后的精子中進(jìn)行。因此，睪丸具有所有器官中最多樣化和最復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄組。然而，生殖細(xì)胞染色質(zhì)是如何促進(jìn)重要的基因表達(dá)程序和為下一代生命設(shè)定表觀遺傳狀態(tài)，目前尚不清楚。通過對小鼠雄性生殖細(xì)胞的特定階段進(jìn)行Hi-C分析，發(fā)現(xiàn)在減數(shù)分裂過程中三維染色質(zhì)組織分隔減弱。
研究內(nèi)容及結(jié)果
1. 減數(shù)分裂前后精子細(xì)胞三維染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化
作者對C57BL/6J小鼠減數(shù)分裂前期的粗線精子細(xì)胞、第二次減數(shù)分裂后的單倍體圓形精子細(xì)胞和ESC細(xì)胞進(jìn)行Hi-C實驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在精子和ESCs中同源染色體的突觸和染色體縮合一致，檢測到大量的“近”色粒內(nèi)相互作用。在精子和期間染色體中，染色體內(nèi)互作概率遵循的冪律為P (s)～s−1，這符合分形球狀體模型。相比之下，在粗線期染色體顯示出精母細(xì)胞染色體逐漸減少互作概率，在基因組的距離3 M遵循的冪律為P (s)～s−0.61，在更大的距離時互作頻率急劇下降。在圓形精子之后，成熟精子表現(xiàn)出高度分隔的三維染色質(zhì)。結(jié)果表明，粗線精子細(xì)胞減數(shù)分裂染色體的大尺度結(jié)構(gòu)類似于有絲分裂染色體，圓形的精子染色質(zhì)處于成熟精子的中間狀態(tài)（圖1）。
期刊：Nature Structural & Molecular Biology
影響因子：13.333
主要技術(shù)：Hi-C、ChIP-seq、RNA-seq
研究背景
生殖發(fā)育的標(biāo)志是減數(shù)分裂，即生殖細(xì)胞基因組經(jīng)過重組以促進(jìn)后代的遺傳多樣性。在精子發(fā)生后期，生殖細(xì)胞經(jīng)歷細(xì)胞重建和全局染色質(zhì)重構(gòu)，最終形成具有功能的精子。在減數(shù)分裂開始時，細(xì)胞系特異性基因的激活全轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)過程是在減數(shù)分裂后的精子中進(jìn)行。因此，睪丸具有所有器官中最多樣化和最復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄組。然而，生殖細(xì)胞染色質(zhì)是如何促進(jìn)重要的基因表達(dá)程序和為下一代生命設(shè)定表觀遺傳狀態(tài)，目前尚不清楚。通過對小鼠雄性生殖細(xì)胞的特定階段進(jìn)行Hi-C分析，發(fā)現(xiàn)在減數(shù)分裂過程中三維染色質(zhì)組織分隔減弱。
研究內(nèi)容及結(jié)果
1. 減數(shù)分裂前后精子細(xì)胞三維染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化
作者對C57BL/6J小鼠減數(shù)分裂前期的粗線精子細(xì)胞、第二次減數(shù)分裂后的單倍體圓形精子細(xì)胞和ESC細(xì)胞進(jìn)行Hi-C實驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在精子和ESCs中同源染色體的突觸和染色體縮合一致，檢測到大量的“近”色粒內(nèi)相互作用。在精子和期間染色體中，染色體內(nèi)互作概率遵循的冪律為P (s)～s−1，這符合分形球狀體模型。相比之下，在粗線期染色體顯示出精母細(xì)胞染色體逐漸減少互作概率，在基因組的距離3 M遵循的冪律為P (s)～s−0.61，在更大的距離時互作頻率急劇下降。在圓形精子之后，成熟精子表現(xiàn)出高度分隔的三維染色質(zhì)。結(jié)果表明，粗線精子細(xì)胞減數(shù)分裂染色體的大尺度結(jié)構(gòu)類似于有絲分裂染色體，圓形的精子染色質(zhì)處于成熟精子的中間狀態(tài)（圖1）。
圖1 精子形成后期動態(tài)三維染色質(zhì)構(gòu)象變化
2. 減數(shù)分裂過程中染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)分隔減弱
基因組間隔已被證明與染色質(zhì)表觀遺傳狀態(tài)和基因表達(dá)有關(guān)。粗線精子細(xì)胞和圓形精子細(xì)胞均可見基因組間隔，這些間隔相對于精子和ESCs的間隔較弱。圓形精子的基因組間室強度表明，粗線精子細(xì)胞與精子處于中間狀態(tài)，最大特征向量（EV1）捕捉到的基因組間隔與基因表達(dá)(RNA-seq)和染色質(zhì)狀態(tài)(ChIP-seq)相關(guān)。研究表明，在間期發(fā)現(xiàn)的基因組分隔，在精子減數(shù)分裂過程中減弱，在減數(shù)分裂后，生殖細(xì)胞分化過程中基因間隔得到保持和加強。
基因組間隔已被證明與染色質(zhì)表觀遺傳狀態(tài)和基因表達(dá)有關(guān)。粗線精子細(xì)胞和圓形精子細(xì)胞均可見基因組間隔，這些間隔相對于精子和ESCs的間隔較弱。圓形精子的基因組間室強度表明，粗線精子細(xì)胞與精子處于中間狀態(tài)，最大特征向量（EV1）捕捉到的基因組間隔與基因表達(dá)(RNA-seq)和染色質(zhì)狀態(tài)(ChIP-seq)相關(guān)。研究表明，在間期發(fā)現(xiàn)的基因組分隔，在精子減數(shù)分裂過程中減弱，在減數(shù)分裂后，生殖細(xì)胞分化過程中基因間隔得到保持和加強。
圖2 精子發(fā)育成熟減數(shù)分裂過程中染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的分化減弱
3.精子發(fā)生后期染色體間相互作用
作者發(fā)現(xiàn)在減數(shù)分裂過程中，染色體的頂中心端(近著絲粒端粒)之間經(jīng)常發(fā)生染色體間相互作用，非著絲粒端粒(遠(yuǎn)著絲粒端粒)之間也存在染色體間相互作用。這些特征可能是由于在減數(shù)分裂過程中端粒固定在核膜上而引起的。在單個染色體對的基礎(chǔ)上，如圖3d中的染色體2和4，一般特征也可以觀察到，只是程度較輕，基因組間的相互作用也是如此（圖3d）。作者觀察到最強的染色體間相互作用，就像基因組A室之間的相互作用一樣，它們在活躍的組蛋白修飾中富集（圖2c），并且在精子形成和ESCs中持續(xù)存在（圖3d）。與圓形精子中的染色體內(nèi)相互作用一樣，作者觀察到圓形精子中的染色體間相互作用比例相對于粗線精子細(xì)胞有所增加（圖3e）。通過測量基因組間室強度，作者證實粗線精子細(xì)胞中也存在染色體間室（圖3f）。所觀察到的染色體間相互作用反映了精子形成過程中核組織的關(guān)鍵特征，并且無論精子形成的階段如何，A區(qū)都傾向于在不同染色體之間進(jìn)行互作（圖3）。
作者發(fā)現(xiàn)在減數(shù)分裂過程中，染色體的頂中心端(近著絲粒端粒)之間經(jīng)常發(fā)生染色體間相互作用，非著絲粒端粒(遠(yuǎn)著絲粒端粒)之間也存在染色體間相互作用。這些特征可能是由于在減數(shù)分裂過程中端粒固定在核膜上而引起的。在單個染色體對的基礎(chǔ)上，如圖3d中的染色體2和4，一般特征也可以觀察到，只是程度較輕，基因組間的相互作用也是如此（圖3d）。作者觀察到最強的染色體間相互作用，就像基因組A室之間的相互作用一樣，它們在活躍的組蛋白修飾中富集（圖2c），并且在精子形成和ESCs中持續(xù)存在（圖3d）。與圓形精子中的染色體內(nèi)相互作用一樣，作者觀察到圓形精子中的染色體間相互作用比例相對于粗線精子細(xì)胞有所增加（圖3e）。通過測量基因組間室強度，作者證實粗線精子細(xì)胞中也存在染色體間室（圖3f）。所觀察到的染色體間相互作用反映了精子形成過程中核組織的關(guān)鍵特征，并且無論精子形成的階段如何，A區(qū)都傾向于在不同染色體之間進(jìn)行互作（圖3）。
圖3 精子發(fā)生后期染色體間相互作用
4. 減數(shù)分裂中TAD的減弱
在粗線精子細(xì)胞和圓形精子細(xì)胞中，作者觀察到強或弱的TADs，平均長度約1.1 Mb。盡管每個生殖細(xì)胞數(shù)據(jù)集都有許多獨特的TAD邊界，但粗線精子細(xì)胞和精子的邊界之間存在子集：粗線精子細(xì)胞(2300～27%)、圓形精子(2233～28%)和精子(4541～14%)共有622個TAD邊界。綜上所述結(jié)果表明，在成熟精子中，有許多在減數(shù)分裂精子細(xì)胞中明顯的弱TAD邊界得以維持，并形成其他的強邊界，三維染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的表觀遺傳狀態(tài)是通過減數(shù)分裂維持的（圖4）。
在粗線精子細(xì)胞和圓形精子細(xì)胞中，作者觀察到強或弱的TADs，平均長度約1.1 Mb。盡管每個生殖細(xì)胞數(shù)據(jù)集都有許多獨特的TAD邊界，但粗線精子細(xì)胞和精子的邊界之間存在子集：粗線精子細(xì)胞(2300～27%)、圓形精子(2233～28%)和精子(4541～14%)共有622個TAD邊界。綜上所述結(jié)果表明，在成熟精子中，有許多在減數(shù)分裂精子細(xì)胞中明顯的弱TAD邊界得以維持，并形成其他的強邊界，三維染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的表觀遺傳狀態(tài)是通過減數(shù)分裂維持的（圖4）。
圖4精子發(fā)育成熟減數(shù)分裂中拓?fù)湎嚓P(guān)域的減弱
5. 減數(shù)分裂過程中的兩點相互作用與活躍轉(zhuǎn)錄有關(guān)
減數(shù)分裂間期的高分辨率Hi-C圖中，已經(jīng)定位成對點相互作用，并與轉(zhuǎn)錄激活、生成調(diào)節(jié)元件有關(guān)。作者在粗線精子細(xì)胞中鑒定出全基因組范圍內(nèi)的1985個點相互作用，并在H3K27ac、H3K4me3的位點上ChIP-seq信號以及RNA-seq信號中均有富集。同樣，與基因組的其他區(qū)域相比，錨點處組蛋白和RNA-seq數(shù)據(jù)集的相對豐度更高。通過計算表明，錨點處分別與ChIP-seq和RNA-seq數(shù)據(jù)集之間存在弱正相關(guān)。數(shù)據(jù)表明，在精子形成的后期，點相互作用是一種高階的染色質(zhì)構(gòu)象，與活躍的組蛋白修飾、基因激活有關(guān)。
在粗線期精子細(xì)胞和圓形精子細(xì)胞的精子TAD邊界上觀察到H3K27ac、H3K4me3、H3K27me3的強富集，表明在粗線期精子TAD邊界存在表觀遺傳標(biāo)記。在ESCs中TAD邊界上存在組蛋白修飾在精子中的富集，從粗線精子細(xì)胞到精子，H3K27me3和H3K4me39富集在同一個隔間中（圖5）。
減數(shù)分裂間期的高分辨率Hi-C圖中，已經(jīng)定位成對點相互作用，并與轉(zhuǎn)錄激活、生成調(diào)節(jié)元件有關(guān)。作者在粗線精子細(xì)胞中鑒定出全基因組范圍內(nèi)的1985個點相互作用，并在H3K27ac、H3K4me3的位點上ChIP-seq信號以及RNA-seq信號中均有富集。同樣，與基因組的其他區(qū)域相比，錨點處組蛋白和RNA-seq數(shù)據(jù)集的相對豐度更高。通過計算表明，錨點處分別與ChIP-seq和RNA-seq數(shù)據(jù)集之間存在弱正相關(guān)。數(shù)據(jù)表明，在精子形成的后期，點相互作用是一種高階的染色質(zhì)構(gòu)象，與活躍的組蛋白修飾、基因激活有關(guān)。
在粗線期精子細(xì)胞和圓形精子細(xì)胞的精子TAD邊界上觀察到H3K27ac、H3K4me3、H3K27me3的強富集，表明在粗線期精子TAD邊界存在表觀遺傳標(biāo)記。在ESCs中TAD邊界上存在組蛋白修飾在精子中的富集，從粗線精子細(xì)胞到精子，H3K27me3和H3K4me39富集在同一個隔間中（圖5）。
圖5 對點相互作用和精子TADs表觀遺傳標(biāo)記
6. 卵黃體在減數(shù)分裂和減數(shù)分裂后的三維染色質(zhì)結(jié)構(gòu)
粗線精子細(xì)胞的相互作用圖譜顯示，X表現(xiàn)出非完全同源的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，這與XY體中性染色體的無染色質(zhì)間隔獨特調(diào)控相一致。減數(shù)分裂過程中失活的X染色體的染色質(zhì)特征與女性X染色體失活時的染色質(zhì)特征不同。在女性X染色體失活中，X是通過逐步折疊建立成兩個“巨量體”。然而，沉默的雄性X在減數(shù)分裂中沒有明顯的巨量體。作者觀察到高階染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，在圓形精子中以遠(yuǎn)端相互作用大于10mb的形式出現(xiàn)，與粗線精子細(xì)胞一樣，減數(shù)分裂后的圓形精子缺乏染色質(zhì)分隔。為了支持這些結(jié)果，作者通過測量基因組間室強度，證實在粗線精子細(xì)胞和圓形精子細(xì)胞的X染色體上染色體內(nèi)基因組間室并不常見，暗示三維染色質(zhì)組織在生殖細(xì)胞發(fā)育過程中性別染色體的獨特調(diào)控作用（圖6）。
粗線精子細(xì)胞的相互作用圖譜顯示，X表現(xiàn)出非完全同源的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，這與XY體中性染色體的無染色質(zhì)間隔獨特調(diào)控相一致。減數(shù)分裂過程中失活的X染色體的染色質(zhì)特征與女性X染色體失活時的染色質(zhì)特征不同。在女性X染色體失活中，X是通過逐步折疊建立成兩個“巨量體”。然而，沉默的雄性X在減數(shù)分裂中沒有明顯的巨量體。作者觀察到高階染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，在圓形精子中以遠(yuǎn)端相互作用大于10mb的形式出現(xiàn)，與粗線精子細(xì)胞一樣，減數(shù)分裂后的圓形精子缺乏染色質(zhì)分隔。為了支持這些結(jié)果，作者通過測量基因組間室強度，證實在粗線精子細(xì)胞和圓形精子細(xì)胞的X染色體上染色體內(nèi)基因組間室并不常見，暗示三維染色質(zhì)組織在生殖細(xì)胞發(fā)育過程中性別染色體的獨特調(diào)控作用（圖6）。
圖6 在減數(shù)分裂和減數(shù)分裂后沉默期間X染色體缺乏高階結(jié)構(gòu)
文章小結(jié)
作者利用Hi-C、ChIP-seq、RNA-seq等技術(shù)，發(fā)現(xiàn)生殖細(xì)胞的染色質(zhì)的弱區(qū)劃分與其轉(zhuǎn)錄組的獨特性和多樣性有關(guān)，生殖細(xì)胞系染色質(zhì)的成熟到精子中高度分隔的三維染色質(zhì)結(jié)構(gòu)是下一代生命準(zhǔn)備的基礎(chǔ)。
解析文獻(xiàn)
Kris G. Alavattam, So Maezawa，et al. Attenuated chromatin compartmentalization in meiosis and its maturation in sperm development[J]. Nature Structural & Molecular Biology, 2019, 26, 175–184.
作者利用Hi-C、ChIP-seq、RNA-seq等技術(shù)，發(fā)現(xiàn)生殖細(xì)胞的染色質(zhì)的弱區(qū)劃分與其轉(zhuǎn)錄組的獨特性和多樣性有關(guān)，生殖細(xì)胞系染色質(zhì)的成熟到精子中高度分隔的三維染色質(zhì)結(jié)構(gòu)是下一代生命準(zhǔn)備的基礎(chǔ)。
解析文獻(xiàn)
Kris G. Alavattam, So Maezawa，et al. Attenuated chromatin compartmentalization in meiosis and its maturation in sperm development[J]. Nature Structural & Molecular Biology, 2019, 26, 175–184.
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